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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
doppelseitigen oder mehrlagigen Leiterplatten mit gedruckten galvanisierten
Widerständen.
Das vorgeschlagene Verfahren erzeugt Leiterplatten mit integrierten
Widerständen,
die aufgedruckt sind und auf den Oberflächen der Leiterplatte galvanisch
aufgebracht sind. Das Verfahren erzeugt Leiterplatten mit Widerständen in
einer Weise, die effizienter und ökonomischer ist, als es bislang möglich war.
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Bei
der Herstellung von Leiterplatten ist es nun allgemein üblich, ebene
Platten mit Schaltkreisen auf jeder ihrer Seiten bereit zu stellen
(z. B. doppelseitige Leiterplatten). Es ist auch allgemein üblich, Platten
mit integrierten ebenen Laminaten aus isolierendem Substrat und
leitfähigem
Metall herzustellen, wobei eine oder mehrere parallele Innenlagen
oder -ebenen des leitfähigen
Metalls, das durch das isolierende Substrat getrennt ist, in der
Struktur mit den freiliegenden Außenflächen des Laminats, das die Leiterbahnstrukturen
aufweist, (z. B. mehrlagige Leiterplatte) entlang der Innenebenen
vorhanden sind.
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Bei
doppelseitigen und mehrlagigen Leiterplatten ist es notwendig, eine
Verbindung zwischen und über
die verschiedenen Schichten und/oder Seiten der Leiterplatte, die
den Schaltkreis trägt,
zur Verfügung
zu stellen. Dies wird erreicht, indem metallisierte leitfähige Durchgangslöcher in
der Leiterplatte bereitgestellt werden, die mit den Seiten und Lagen, die
miteinander verbunden werden müssen,
in Verbindung stehen.
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Das
vorherrschend verwendete Verfahren zum Herstellen von leitfähigen Durchgangslöchern wird
durch autokatalytische Abscheidung von Metall auf den nicht leitenden
Oberflächen
der Durchgangsöffnungen,
die gebohrt oder durch die Leiterplatte gestanzt sind, durchgeführt. Üblicherweise
wird nach der autokatalytischen Abscheidung eine elektrolytische
Abscheidung von Metall in den Öffnungen durchgeführt, um
leitfähiges
Metall mit der erforderlichen Dicke aufzubringen. Kürzlich ist
es durch einige Prozesse möglich
geworden, direktes Galvanisieren in den Durchgangsöffnungen
durchzuführen,
ohne dass eine vorherige autokatalytische Abscheidung notwendig
ist.
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Die
typische Abfolge des Herstellungsverfahrens zum Herstellen von Leiterplatten
beginnt mit einem mit Kupfer kaschiertem Laminat. Das Kupfer kaschierte
Laminat umfasst ein glasverstärktes
isolierendes Substrat aus Epoxydharz mit einer Kupferfolie, die
auf beide planaren Flächen
des Substrat geklebt ist, obwohl andere Arten von isolierenden Substraten
wie Phenol getränktes
Papier und Polyimid ebenfalls verwendet wurden. Zuerst werden die Durchgangsöffnungen
in das Kupfer kaschierte Laminat gebohrt oder gestanzt, wodurch
die Flächen
der Öffnungen
des isolierenden Substratmaterials freigelegt werden. Die Öffnungen
werden dann einem chemischen Beschichtungsprozess unterzogen, der
leitfähiges
Metall sowohl in den Öffnungen
als auch auf den Kupferflächen
abscheidet. Eine Galvanisiermaske wird auf der Außenfläche als
negative Abbildung des gewünschten
Schaltkreises aufgebracht. Nachfolgend wird Kupfer galvanisch auf
alle Flächen,
die nicht durch die Galvanisiermaske abgedeckt sind, bis zu einer
vorbestimmten Dicke abgeschieden, wonach Zinn dünn abgeschieden wird, um als
ein Ätz-Resist
zu dienen. Der Galvanisier-Resist wird dann entfernt und die freigelegte
Kupferflächen
(diejenigen, die nicht von dem Ätz-Resist beschichtet sind)
weg geätzt.
Abschließend
wird das Ätz-Resist entfernt
und die Leiterplatte mit einer Anzahl von bekannten abschließenden Verarbeitungsverfahren
wie dem Aufbringen einer Lötmaske,
die durch Heißluftlöten vergleichmäßigt wird,
fertig gestellt. Das vorbeschriebene Verfahren wird typischerweise
Strukturgalvanisierverfahren genannt und ist geeignet, doppelseitige
Leiterplatten oder mehrlagige Leiterplatten herzustellen. Jedoch
im Fall von mehrlagigen Leiterplatten ist das Startmaterial ein
Kupfer kaschiertes Laminat, das Innenflächen mit Schaltkreisen umfasst,
die Innenlagen genannt werden.
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Einfache
Leiterplatten und die Innenlagen einer mehrlagigen Leiterplatte
werden durch eine Technik hergestellt, die Bedrucken und Ätzen genannt
wird. Auf diese Weise wird ein Fotopolymer laminiert oder auf der
Kupferfläche
eines mit Kupfer kaschierten Laminats getrocknet. Das Fotopolymer wird
dann selektiv mit Hilfe eines Negativs belichtet und entwickelt,
um eine positive Abbildung des gewünschten Schaltkreismusters
auf den Flächen
des mit Kupfer kaschierten Laminats zu erzeugen. Das freigelegte
Kupfer wird dann weggeätzt
und das Fotopolymer entfernt, wodurch das gewünschte Schaltkreismuster freigelegt
wird.
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Der
halb additive Prozess kann in Verbindung mit dem Verfahren des Bedrucken
und Ätzen verwendet
werden, um doppelseitige und mehrlagige bedruckte und geätzte Leiterplatten
mit galvanisierten Durchgangsöffnungen
zu erzeugen. Bei diesem Verfahren wird ein Kupfer kaschiertes Laminat
oder eine mehrlagige Plattenanordnung mit Kupferfolie auf ihren
Außenflächen durch
den Bedruck- und Ätz-Prozess
der oben beschrieben ist, hergestellt. Öffnungen werden dann in die
Platte in einer gewünschten
Anordnung gebohrt. Ein Galvanisier-Resist wird dann aufgebracht,
um, abgesehen von den Öffnungen
und den Schaltkreisen, im Wesentlichen die gesamte Außenfläche der
Leiterplatte zu bedecken. Die freigelegten Flächen werden dann autokatalytisch
beschichtet.
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Zusätzlich zu
den vorgenannten werden viele andere Verfahren zum Herstellen von
Leiterplatten verwendet. Einige von diesen Verfahren sind ausführlich in
den US-Patenten mit den Nummern 3,982,045, 5,246,817 und 4,847,114
beschrieben. Jedoch werden die Leiterplatten bei den Verfahren nach
dem Stand der Technik so hergestellt, dass Widerstände, wenn
erforderlich Leiterplatten extern vorgesehen werden müssen (z.
B. als Anhang auf der Oberfläche
der Leiterplatte aufgebracht werden).
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Die
Druckschrift US-A-3522085 offenbart eine Leiterplatte und ein Verfahren
zum Herstellen einer solchen, bei der eine Metallfolie auf ein Substrat aus
isolierendem Material geklebt ist. Die Folie ist an bestimmten Stellen
des Substrat weggeätzt,
um eine aufgeraute Oberfläche
zu hinterlassen, auf der ein geeignetes Widerstandsmaterial für eine vorbestimmte
Zeit und eine vorbestimmte Menge abgeschieden wird.
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Die
Erfinder haben ein Verfahren entdeckt, wodurch Widerstände als
integrierter Teil der Leiterbahnen und der Leiterplatte gedruckt
und abgeschieden werden können.
Dadurch wird effizienter und wirtschaftlicher Weg zum Herstellen
der notwendigen Widerstände
zur Verfügung
gestellt. Zusätzlich
erlaubt das Verfahren eine weitere Miniaturisierung der hergestellten
Leiterplatten im Vergleich zu denen, die nach den Verfahren des
Standes der Technik hergestellt werden. Typische Verfahren diesbezüglich sind in
US-Patenten mit den Nummer 3,808,576 und 3,662,957 gezeigt.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen
einer Leiterplatte mit integrierten galvanisierten Widerständen zur
Verfügung
gestellt, mit folgenden Schritten: a) Aufbringen eines Photolacks
auf Abschnitte der Metalloberflächen
eines Metall kaschierten Laminats, wobei das Laminat ein dielektrisches
Substrat mit einer aufgebrachten Metallkaschierung umfasst, so dass
der Fotolack die gewünschte
Schaltung auf positive Weise definiert und die Bereiche zwischen
der Schaltung einschließlich
der Stellen für
die Widerstände
auf eine negative Weise definiert, wobei dadurch freigelegte Metallflächen und
durch Fotolack bedeckte Metallflächen
erzeugt werden; b) Wegätzen freiliegender
Metallflächen,
so dass Schaltkreise aus Metall erhalten werden, die durch die freiliegenden Flächen des
dielektrischen Substrats getrennt sind; c) Entfernen des Photolacks;
d) Behandeln der freiliegenden Flächen des dielektrischen Substrats
mit einem Verfahren das aus einem der Verfahren chemisches Ätzen, Plasmaätzen, Lasernormalisieren, Dampfstrahlen,
Schleifen, Strahlputzen und Sandstrahlen ausgewählt ist, wodurch das dielektrische Substrat
geglättet
wird; e) Aktivieren der freiliegenden Flächen des dielektrischen Substrats,
so dass diese galvanisierbar sind; f) Aufbringen einer Galvanisiermaske,
so dass die Galvanisiermaske alle oder im Wesentlichen alle Flächen außer den
Bereichen für
die Widerstände
bedeckt; g) Galvanisieren der Fläche,
die nicht durch die Galvanisiermaske bedeckt sind, mit einem Widerstandsmaterial;
und g) Entfernen der Galvanisiermaske.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Leiterplatte
mit aufgebrachten Metallleiterbahnen, die durch ein dielektrisches
Substrat getrennt sind, vorgesehen, wobei die Leiterbahnen an bestimmten
Punkten durch ein Widerstandsmaterial verbunden sind, wobei das
Widerstandsmaterial selektiv auf dem dielektrischen Substrat aufgalvanisiert
worden ist, und wobei das dielektrische Substrat mit einem Verfahren
behandelt worden ist, das aus einem der Verfahren chemisches Ätzen, Plasmaätzen, Lasernormalisieren,
Dampfstrahlen, Schleifen, Strahlputzen und Sandstrahlen ausgewählt ist,
wobei dadurch das dielektrische Substrat vor dem Galvanisieren des
Widerstandsmaterials geglättet
wird.
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In
seiner bevorzugten Ausführungsform
erzeugt das erfindungsgemäße Verfahren
Leiterplatten mit integrierten Widerständen, wobei die Widerstände einen
besonders konstanten Widerstandswert aufweisen, wie es bei den meisten
anspruchsvollen Anwendungen erforderlich ist.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1A eine Seite eines mit
Kupfer kaschierten Laminats mit einem isolierenden dielektrischen Substrat 10 und
der aufgebrachten Kupferfolie 11 darstellt (obwohl beide
Seiten wahrscheinlich auf gleiche Weise prozessiert werden würden).
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1B einen strukturierten
Photolacks 12 auf der Kupferfolie 11 zeigt. Der
Photolack 12 wurde bereits belichtet und entwickelt und
bedeckt daher nur die gewünschten
Abschnitte der Kupferfolie 11.
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1C einen Verfahrensstand
zeigt, bei dem das freigelegte Kupfer nun geätzt worden ist, wodurch miteinander
nicht verbundene mit Photolack bedeckte Kupferleiterbahnen 13 und 14 auf
dem Substrat 10 übrig
bleiben.
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1D einen Verfahrensstand
zeigt, dass bei dem der Photolack vollständig entfernt worden ist, wodurch
lediglich die gewünschten
Kupferleiterbahnen 13 und 14 auf dem Substrat 10 verbleiben.
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1E das Aufbringen einer
Galvanisiermaske 15 zeigt, die die gesamte Fläche der
Leiterplatte bedeckt außer
den Abschnitten, auf denen der Widerstand aufgalvanisiert wird.
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1F den galvanisierten Widerstand 16 zeigt,
der die zuvor nicht verbundenen Kupferleiterbahnen 13 und 14 miteinander
verbindet.
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1G den Schaltkreis zeigt,
auf dem die Galvanisiermaske entfernt worden ist.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
ein Verfahren zum Bedrucken und Aufgalvanisieren von Widerständen als
integrierten Bestandteil einer Leiterplatte vor. Das vorangehende
Verfahren wird in seiner grundlegenden Form durch die nachfolgende
Abfolge von Verfahrensschritten beschrieben:
- a)
Aufbringen einer Ätzmaske
auf die Oberfläche eines
mit Metall kaschierten Laminats (oder in einer mehrlagigen Anordnung)
in einer gewünschten
Struktur. Die gewünschte
Struktur sollte vorzugsweise die leitfähigen Leiterbahnen auf positive
Weise und die Bereiche zwischen den Leiterbahnen und die Stellen
für die
Widerstände
auf negative Weise definieren;
- b) Wegätzen
des freiliegenden Kupfers und vorzugsweise Entfernen der Ätzmaske;
- c) Behandeln von zumindest den Abschnitten der freiliegenden
Flächen
des dielektrischen Substrats mit einem Verfahren, das aus einem
der Verfahren chemisches Ätzen,
Plasmaätzen,
Lasernormalisieren, Dampfstrahlen, schleifen, Strahlputzen und Sandstrahlen
ausgewählt
ist;
- d) Aktivieren der Flächen,
so dass diese galvanisierbar sind;
- e) Aufbringen einer Galvanisiermaske, die im Wesentlichen alle
Flächen
außer
den Bereichen bedeckt, in denen Widerstände aufgalvanisiert werden
sollen;
- f) Galvanisieren der freiliegenden Bereiche mit einem Widerstandsmaterial;
- g) Entfernen der Galvanisiermaske.
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Äquivalent
zu dem vorangehenden Verfahren können
die vorangehenden Schritte a und b durch ein zusätzliches Verfahren ersetzt
werden, das folgende Schritte aufweist:
- a.1)
Aktivieren der Flächen
eines bloßen
dielektrischen Substrats, das dieses galvanisierbar ist;
- a.2) Aufbringen einer Galvanisiermaske auf das dielektrische
Substrat, so dass die gewünschten Leiterbahnen
in einer negativen Weise definiert sind und die Flächen zwischen
den Leiterbahnen und die Stellen für die Widerstände in einer
positiven Weise definiert sind;
- a.3) Galvanisieren des gewünschten
Schaltkreises;
- a.4) Entfernen der Galvanisiermaske; und
wobei die
nachfolgenden Schritte (c) bis (g) wie zuvor beschrieben durchgeführt werden.
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Die
Erfinder haben herausgefunden, dass das Ätzen vor dem Schritt (d) zum
Glätten
der dielektrischen Fläche
galvanisierte Widerstände
mit einem konstanteren und vorhersehbareren Widerstandswert zur
Verfügung
stellt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das aufgebrachte Photolackmaterial nach dem Schritt (f) mit
einem Oxidanten kontaktiert. Die Erfinder haben herausgefunden,
dass das Kontaktieren des aufgebrachten Photolackmaterials mit einem Oxidanten
und dem dadurch erfolgenden Oxidieren des galvanisierten Widerstandsmaterials
auf kontrollierte Weise galvanisierte Widerstände mit einem höheren, konstanteren
und zuverlässigeren
Widerstandswert schafft. Der intrinsische Widerstandswert steigt
auf Grund der gesteuerten Oxidation an.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird die Leiterplatte nach dem Schritt (g) einem Reinigungsschritt
unterworfen, um jegliche nach Schritt (d) verbleibenden Aktivierungsstoffe
zu entfernen und um andererseits den Oberflächenwiderstand der Leiterplatte
im Allgemeinen zu verbessern. Die Erfinder haben herausgefunden,
dass man durch Vorsehen dieses Schrittes Leiterplatten mit höherer Zuverlässigkeit
erzeugen kann.
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Die
hier beschriebenen Verfahren stellen ein Verfahren zum Herstellen
eines Widerstandes zwischen zwei leitfähigen Bereichen zu Verfügung, wobei
die Bereiche auf einem isolierenden Substrat geordnet sind und durch
das isolierende Substrat voneinander getrennt sind.
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Das
beschriebene Verfahren dient zum Galvanisieren eines Widerstandsmaterials
auf das isolierende Substrat zwischen leitfähige Bereiche, so dass das
Widerstandsmaterial die leitfähigen
Bereiche miteinander verbindet. Die beschriebenen Verfahrensschritte
sind insbesondere nützlich
zum Herstellen von Leiterplatten mit galvanisierten Widerständen, die
in den Schaltkreisen integriert sind.
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Der
grundlegende Verfahrensablauf ist nachfolgend beschrieben:
- a) Aufbringen einer Ätzmaske auf die Flächen eines
Metall kaschierten Laminats, so dass die Maske den gewünschten
Schaltkreis auf positive Weise und die Flächen zwischen den Schaltkreisen
einschließlich
der Stellen für
die Widerstände auf
eine negative Weise definiert;
- b) Wegätzen
freiliegender Kupferflächen
und Entfernen der Maske;
- c) Glätten
der freiliegenden dielektrischen Flächen;
- d) Aktivieren der Flächen,
so dass diese galvanisierbar sind;
- e) Aufbringen einer Galvanisiermaske, so dass die Galvanisiermaske
alle oder im Wesentlichen alle Flächen aus den Bereichen bedeckt,
in denen die Widerstände
aufgalvanisiert werden sollen (d. h. so dass die Widerstandsbereiche
auf negative Weise definiert werden);
- f) Galvanisieren der freiliegenden Bereiche;
- g) der optionale Schritt des Kontaktieren der galvanisierten
Bereiche mit einem Oxidanten;
- h) Entfernen der Galvanisiermaske;
- i) der optionale Schritt des Reinigens der Oberflächen der
Leiterplatte;
- j) der optionale Schritt des Beschichtens des Widerstandes mit
einer Schutzschicht.
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Die
Schritte (a) und darauf (b) dienen gemeinsam zur Bildung von definierten
Leiterbahnen auf den Oberflächen
eines Metall kaschierten dielektrischen Laminats (oder auf eine
Mehrlagen-Anordnung – mehrere
Lagen von Schaltkreisen, die eine oder mehrere Innenlagen von Schaltkreisen
enthält, die
in eine einzelne planare Anordnung laminiert worden sind. Die Innenlagen
können
die galvanisierten Widerstände
der Erfindung enthalten oder nicht. Wenn sie diese enthalten, können die
Innenlagen durch das hier beschriebene Verfahren hergestellt werden).
Das mit Metall kaschierte Laminat kann optional Durchgangsöffnungen
in einer gewünschten Anordnung
aufweisen. Die Durchgangsöffnungen können zu
diesem Zeitpunkt galvanisiert sein oder nicht. Der Schlüssel besteht
hierbei in der Definition und der Bildung von Leiterbahnstrukturen
auf den Oberflächen
des Metall kaschierten Laminats gemeinsam mit der Definition und
Bildung von bestimmten Unterbrechungen der Leiterbahnen, an denen
die Widerstände
aufgalvanisiert werden (die „Widerstandsbereiche"). Die Länge und
Breite der bestimmten Widerstandsbereiche beeinflussen offensichtlich direkt
den Widerstandswert, den man nach dem Galvanisieren erhält.
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Die
Definition und die Herstellung der Leiterbahnen und der Widerstandsbereiche
können
auf viele Arten durchgeführt
werden. Die gängigste
Art ist durch den subtraktiven Prozess wie in den Schritten (a)
und (b) beschrieben ist. In dem subaktiven Prozess wird ein Metall
kaschiertes Laminat (gewöhnlicherweise
Kupfer kaschiertes Laminat) dazu verwendet. Das Metall kaschierte
Laminat umfasst ein ebenes dielektrisches Substrat mit einer auf
beiden Außenflächen aufgeklebten
Metallfolie. Wie beschrieben ist, ist das dielektrische Substrat
typischerweise glasverstärktes
Epoxydharz kann jedoch auch aus eine Vielzahl von anderen aus dem
Stand der Technik bekannten isolierenden Materialien sein. In jedem Fall
wird eine Photolackmaske auf die Metallfläche so aufgebracht, dass die
Maske die Leiterbahnen auf positive und die Flächen zwischen den Leiterbahnen und
die Widerstandsbereiche auf negative Weise definiert. Die typischste
Weise dies durchzuführen
ist es, einen Photolack zu verwenden. In diesem Fall ist der Photolack
auf die Metallflächen
in entweder flüssiger
oder trockener Form aufgebracht. Der Photolack wird dann selektiv
durch eine photochemisch wirksame Bestrahlung durch ein Negativ
freigelegt. Die nicht freigelegten Bereiche der Maske werden entwickelt
und entfernt, so dass die gewünschte Struktur
erzeugt wird. Als eine Alternative kann die Maske auf die Metallflächen direkt
in der gewünschten
Struktur aufgebracht werden. Nachdem die Leiterbahnen mit der Maske
definiert sind, werden die freiliegenden Kupferflächen weggeätzt und
die Maske entfernt, so dass die Leiterbahnen freiliegen. Somit sind
die Bereiche zwischen den Leiterbahnen und die Widerstandsbereiche
blankes Dielektrikum.
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Damit
die Widerstände
verwendbar und zuverlässig
sind, müssen
die Widerstandswerte vorhersehbar, relativ konstant und zuverlässig sein.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass, um galvanisierte Widerstände mit
einem vorhersehbaren, relativ konstanten und zuverlässigen Widerstandswert
zu erhalten, die dielektrische Oberfläche, die mit dem Widerstand
beschichtet werden soll, gleichmäßig sein muss.
Diesbezüglich
haben die Erfinder die Gleichmäßigkeit
der dielektrischen Oberfläche
und einen vorhersehbaren, relativ konstanten und zuverlässigen Widerstandswert
der galvanisierten Widerstände erreicht,
indem die dielektrische Fläche
auf der der Widerstand aufgebracht werden soll (Schritt c) geglättet wird.
Das Glätten
kann auf mehrere Arten erreicht werden, wie z. B. Dampfstrahlen,
chemisches Ätzen,
Plasmaätzen,
Lasernormalisieren oder mechanisches Glätten. Mechanisches Glätten kann
erreicht werden durch Schleifen, Sandstrahlen oder Strahlputen.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Glättung der Oberfläche durch
chemisches Ätzen
das zuverlässigste
und effizienteste Verfahren ist. Das dazu verwendete besondere Ätzmittel
muss auf das verwendete Dielektrikum abgestimmt sein. Jedoch haben
die Erfinder herausgefunden, dass, wenn glasverstärktes Epoxydharz
verwendet wird, alkalines Permanganat, konzentrierte Schwefelsäure, Chromsäure oder
Plasma besonders nützlich
für das Ätzen und
Glätten
der Oberfläche
des Dielektrikums ist. Lösungen
von Natrium oder Calciumpermanganat bei Konzentrationen von mehr
als 50 g pro Liter in 10 Volumen prozentiger Ätzlauge, bei Temperaturen über 60°Celsius (140
Fahrenheit) und für Zeitdauern
von 2–20
Minuten diesbezüglich
bevorzugt sind. Wenn Permanganate dazu verwendet werden, kann eine
Vorbehandlung mit einem Quellmittel oder einem Aktivator durchgeführt werden,
welche das Dielektrikum für
das Ätzen
mit dem Permanganat empfänglicher
macht. Typisches Quellmittel für
Epoxydharz ist m-Pyrol, das unverdünnt bei Temperaturen von 32
bis 49°Celsius
(90–120
Fahrenheit) für zwischen
einer und 5 Minuten verwendet wird. Zusätzlich wird nach dem Ätzen mit
dem Permanganat möglicherweise
eine Behandlung mit einer Säure
reduzierenden Lösung
durchgeführt,
die die Permanganatreste entfernt.
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Der
Schritt (d) umfasst das Aktivieren der zu galvanisierenden Oberflächen. Das
Aktivieren der Oberflächen
kann in Bezug auf ihre Komplexität
von dem einfachen Eintauchen in einen Edelmetallaktivator (oder
in einen Nicht-Edelmetallaktivator oder in andere aus dem Stand
der Technik bekannte Aktivatoren) bis zu einem vollständigen Galvanisierzyklus mit
mehreren Schritten reichen. Typischerweise startet der Aktivierungsprozess
mit einem Vorbehandlungsstoff (Tensid oder einem anderen Stoff)
gefolgt von einem Aktivator (PdCl2/SnCl2-Kolloid)
und einem Beschleuniger. Zwischen jeder chemischen Behandlung ist
das Abspülen
mit reinem Wasser vorgesehen. Unabhängig von dem gewählten Aktivierungszyklus
besteht der Hauptzweck darin, die Oberflächen so zu behandeln, dass
sie das Galvanisieren initiieren und akzeptieren. Eine große Vielfalt
von Verfahren, dies zu erreichen, ist aus dem Stand der Technik
bekannt, von denen jedes in vorteilhafter Weise hierin verwendet
werden kann. So wird auf die US-Patente mit den Nummern 5,032,427
(Kukanskis et al.), 4,976,990 (Bach et al.) und 4,863,758 (Rhodenizer)
Bezug genommen.
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In
Schritt (e) wird eine Galvanisiermaske so aufgebracht, dass die
Widerstandsbereiche auf negative Weise definiert werden. Im Allgemeinen
bedeckt die Galvanisiermaske, um dies zu erreichen, alle oder im
Wesentlichen alle Oberflächen
ausgenommen der Widerstandsbereiche. Die Erfinder haben herausgefunden,
dass die galvanisierten Widerstände
zuverlässiger
sind, wenn die Galvanisiermaske so gestaltet ist, um eine Überlappung
beim Galvanisieren an den Stellen zu ermöglichen, an denen die Galvanisierung
des Widerstandes auf die Leiterbahnen trifft, im Gegensatz dazu,
den gesamten Schaltkreis abzudecken, wodurch die Galvanisierung
des Widerstand lediglich an die Leiterbahn angrenzt. In jedem Fall
kann die Galvanisiermaske eine Galvanisiermaske beliebiger Art sein,
die aus dem Stand der Technik bekannt ist, so lange sie ihre Integrität in dem nachfolgenden
Galvanisierbad beibehält.
Die Galvanisiermaske kann flächig
auf die Oberfläche
in der gewünschten
Struktur oder ganzflächig
aufgebracht, belichtet und entwickelt werden.
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Schritt
(f) umfasst das Aufgalvanisieren der Widerstände. In diesem Verfahrensstand
erfolgt das Galvanisieren lediglich in den Bereichen, die nicht durch
die Galvanisiermaske bedeckt sind (nämlich in den Widerstandsbereichen,
vorzugsweise mit einiger Überlappung
an den Leiterbahnen, an denen der Widerstand die Leiterbahnen miteinander
verbindet). Eine Vielzahl von Galvanisierbädern kann in vorteilhafter
Weise genutzt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass autokatalytisches
Nickel-Phosphor, autokatalytische Edelmetall Galvanisierbäder, einschließlich Palladium-Phosphor,
autokatalytische Galvanisierbäder
besonders brauchbar dafür
sind. Es kann optional wünschenswert
sein, die Oberflächen
vor dem Galvanisieren zu reinigen und/oder zu aktivieren.
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Offensichtlich
hat die Dicke des galvanisierten Metalls einen direkten Einfluss
auf den Widerstandswert des hergestellten Widerstands. Die Erfinder
haben herausgefunden, dass es vorteilhaft ist, Metalldicken im Bereich
von 0,05 × 10–6 bis
2,5 × 10–6 m
(0,05–2,5
Mikrons), und bevorzugter Weise von 0,1 × 10–6 bis
0,50 × 10–6 m
(0,10–0,50
Mikrons) aufzugalvanisieren. Das Galvanisieren dauert vorteilhafter
Weise zwischen 2–3
Minuten, bevorzugter Weise zwischen 5– 10 Minuten abhängig von
dem verwendeten Galvanisierbad und dem gewünschten Endwiderstandswert.
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Abhängig von
dem gewünschten
Endwiderstandswert können
die folgenden Faktoren eingestellt werden, um den Widerstandswert
des hergestellten Widerstands zu variieren: Art des galvanisierten
Metall, Dicke des galvanisierten Metalls, Länge des Widerstands und Breite
des Widerstands. Im Hinblick auf die Art des galvanisierten Metalls
beeinflusst der Phosphoranteil des Nickel-Phosphors oder des Palladium-Phosphors den Widerstandswert
der Abscheidung. Alle der vorgenannten Faktoren können variiert
werden, um den gewünschten
Endwiderstand zu erhalten. Die Erfinder haben herausgefunden, dass
der spezifische Widerstand des galvanisierten Nickels oder des Palladiums
sich mit dem Phosphoranteil des Metalls erhöht. Sie haben auch herausgefunden,
dass es am vorteilhaftesten ist, die Widerstände mit Nickel mit einem Phosphoranteil von
10–13
Gewichtsprozent und Palladium mit ein Phosphoranteil von 2–8 Gewichtsprozent
zu galvanisieren. Die Erfinder haben herausgefunden, dass stark
Phosphor enthaltene Metalle, insbesondere Nickel und Palladium,
eine Galvanisierschicht mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand
erzeugen. Daher kann für
einen beliebigen gewünschten Endwiderstandswert
des Widerstands eine größere Dicke
des Materials (bei Sonderlänge
und Breite) galvanisiert werden, wodurch man zuverlässigere
galvanisierte Widerstände
erhält.
Dadurch werden auch kommerzielle akzeptierbare Galvanisierzeiten
im Bereich von 2–3
Minuten möglich.
Galvanisierzeiten von weniger als 2–3 Minuten sind zu kurz, um
in einfacher Weise in einem kommerziellen Prozess die Zuverlässigkeit
zu steuern, wodurch relativ unzuverlässige galvanisierte Widerstände erzeugt
werden. Wenn mehrere Widerstände
oder verschiedene Widerstände
für eine
Leiterplatte benötigt
werden, können
die Schritte (e) und (f) oder (d), (e) und (f) wiederholt werden,
um verschiedene Widerstände
mit verschiedenen Dicken des Widerstandsmaterials oder mit verschiedenen
Widerstandsmaterialien zu galvanisieren. Alternativ können natürlich auch
andere Variablen wie Länge
und Breite der Widerstände
variiert werden, ohne irgendwelche Schritte zu wiederholen.
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Der
Schritt (g) betrifft optional die kontrollierte Oxidation des galvanisierten
Widerstandsmetalls. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die
gesteuerte Oxidation ein Verfahren ist, um den Widerstandswert des
galvanisierten Widerstandes zu erhöhen, und um zuverlässigere
Widerstände
auf einer konsistenten Basis zur Verfügung zu stellen. Diesbezüglich können eine
Vielzahl von Oxidanten, einschließlich Calciumdjodat, was bevorzugt
ist, verwendet werden. Wenn Calciumdjodat verwendet wird, hat sich
eine wässrige
Lösung
aus 10–75
g pro Liter Calciumdjodat bei einer Temperatur von 90°C und für eine Zeitdauer
von 5 Minuten als effektiv herausgestellt. Auch hier ermöglicht das
Material mit dem höheren
spezifischen Widerstand eine größere Dicke
des galvanisierten Materials (bei konstanten anderen Variablen),
zuverlässigere
galvanisierte Widerstände
und kommerziell akzeptable Galvanisierzeiten. Die Erfinder haben
herausgefunden, dass ein Anstieg des spezifischen Widerstandes des
galvanisierten Metalls um 20–400%
im Vergleich zu dem spezifischen Widerstand desselben nicht oxidierten Metalls
erreicht werden kann.
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Der
Schritt (h) betrifft das Entfernen der Galvanisiermaske. Eine Entfernungslösung muss
ausgewählt
werden, die zur verwendeten Galvanisiermaske passt. Typische Galvanisiermasken
können
in einer alkalischen Lösung
entfernt werden, jedoch erfordern einige organische Lösungen.
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Bei
diesem Verfahrensstand ist es optional vorteilhaft gemäß Schritt
(i) die Oberflächen
der Leiterplatte zu reinigen, um jeglichen Rest des Aktivators zu
entfernen und um den Oberflächenisolationswiderstand
der Leiterplatte zu erhöhen.
Die US-Patente mit den Nummern 5,221,418, 5,207,867 und 4,978,422
beschreiben vielfältige
Einrichtungen zum Reinigen und zur Erhöhung des Oberflächenisolationswiderstandes
der Leiterplatten, wie durch den Schritt (i) angedeutet ist. Es
muss beachtet werden, dass der Widerstandswert des galvanisierten
Widerstandes nicht durch das vorangehende Reinigen beeinflusst wird.
Es kann vorteilhaft sein, die galvanisierten Widerstände vor
dem Reinigen der Leiterbahnen wie oben beschrieben, durch die Verwendung
einer permanenten oder nicht permanenten Beschichtung zu schützen.
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Abschließend ist
es gewöhnlich
wünschenswert,
die Oberflächen
der Leiterplatte einschließlich der
galvanisierten Widerstände
mit einer Schutzschicht wie z. B. einer Lötmaske zu beschichten. Lötmasken
sind nützlich
für den
Schutz der Leiterplatten bezüglich
eines nachfolgenden Bearbeitens und erhöhen die Lebensdauer des resultierenden
Produktes. Typische Verfahren für
Lötmasken
sind in dem US-Patent Nr. 5,296,334 beschrieben.
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Die
nachfolgenden Beispiele sind lediglich für darstellende Zwecke beschrieben
und sollten nicht als einschränkend
in irgendeiner Weise verstanden werden. Das Beispiel I steht nicht
in Bezug zur Erfindung wie sie in den Ansprüchen beansprucht ist, ist jedoch
in der Beschreibung aufgrund der Vollständigkeit und Klarheit aufgenommen,
da sich die Beispiele II und III auf das Beispiel I beziehen.
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Beispiel I
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Mit
Kupfer kaschiertes glasverstärktes
Epoxyd-Laminat wurde mit Hilfe der folgenden Verfahrensschrittabfolge
bearbeitet:
- 1. Eine trockene Photolackschicht
(Aquamer CF-1.5 verfügbar
von MacDermid Imaging Technology, Inc.) wurde auf beide Oberflächen des
Laminats aufgebracht. Der Photolack wurde dann selektiv mit ultraviolettem
Licht durch ein Negativ belichtet. Das Negativ war so gestaltet,
dass das ultraviolette Licht dadurch nur auf die Bereiche mit den
Leiterbahnen aufgetroffen ist (d. h. Leiterbahnen sind in einer
positiven Weise definiert und die Bereiche zwischen den Leiterbahnen
und die Widerstandsbereiche in einer negativen Weise). Die nicht
belichteten Abstände
des Photolacks wurden mit Hilfe einer 1 Gewichtsprozentigen Lösung aus
Calciumcarbonat bei 33°C
(90°F) für 30 Sek. entwickelt
und entfernt.
- 2. Die freigelegten Kupferflächen
wurden durch Aufsprühen
eines Ätzmittels
mit ammoniakhaltigen Kupferchlorid bei 44°C (110°F) auf die Oberflächen weggeätzt, bis
das freiliegende Kupfer sauber weg geätzt war. Der Photolack wurde dann
mit Hilfe einer 10 Gewichtsprozentigen Ätzlösung entfernt.
- 3. Die Oberflächen
wurden aktiviert, um das Galvanisieren durch den nachfolgenden Verfahrensablauf
zu akzeptieren:
- a) MacDermid M-Konditioner 44°C
(110°F),
2 Min.
- b) MacDermid M-Free-Aktivator 24°C (75°F), 2 Min.
- c) MacDermid M-Aktivator 38°C
(100°F),
5 Min.
Zwischen den oben angeführten Schritten wurden Abspülvorgänge mit
reinem Wasser durchgeführt.
- 4. Eine MacDermid Viatec PM#4 Galvanisiermaske wurde dann auf
die Oberflächen
so aufgebracht, dass sie die gesamte Oberflächen außer den Bereichen abdeckten,
in denen die Widerstände
galvanisiert werden sollten (die Widerstandsbereiche) (d. h., dass
die Widerstandsbereiche auf negative Weise definiert wurden). Die Galvanisiermaske
war dann zum Ausheilen 5 Min. bei 121°C (250°F) gebacken. Die Breite und
Länge der
Widerstandsbereiche, spezifischer Widerstand von autokatalytischem
Palladium-Phosphor und die Dicke der Palladium-Phosphorschicht wurden
verwendet, um den Endwiderstandswert der galvanisierten Widerstände einzustellen
und vorherzusagen.
- 5. Die Widerstandsbereiche wurden dann durch Eintauchen in ein
MacDermid Pallas 52 autokatalytisches Palladium-Phosphor Galvanisierbad
beschichtet, was gemäß dem beigefügten Datenblatt
bei 66°C
für 5 Min.
vorbereitet wurde. Ungefähr
0,1 × 10–6 bis
0,2 × 10–6 m
(0,1–0,2
Mikron) von autokatalytischem Palladium-Phosphor wurden dabei abgeschieden.
- 6. Die Galvanisiermaske wurde dann mit Hilfe einer 10 Gewichtsprozentigen Ätzlösung bei
66°C (150°F) für 2 Min.
entfernt und dann gründlich
abgespült.
-
Die
Leiterplatten wurden dann elektrisch gestestet, um den tatsächlichen
Widerstandswert der galvanisierten Widerstände zu bestimmen, und der aktuelle
Widerstandswert wurde mit dem eingestellten Widerstandswert verglichen.
Varianzen von 25–30%
wurden festgestellt.
-
Beispiel II
-
Mit
Kupfer kaschiertes glasverstärktes
Epoxyd-Laminat wurde mit Hilfe des gleichen Prozessablaufs wie in
Beispiel I prozessiert, abgesehen davon, dass nach dem Schritt 2
und vor dem Schritt 3 die folgenden zusätzlichen Verfahrensschritte
eingefügt wurden:
- a) M-Pyrol, 100 Gewichtsprozent, 33°C (90°F), 2 Min.
- b) Calciumpermanganat, 60 g pro Liter, 10 Gewichtsprozent Ätzsoda,
71°C (160°F), 10 Min.
- c) 10 Gewichtsprozent Hydrochlorsäure, 10 g pro Liter Hydroxylaminsulfat,
44°C (110°F), 5 Min.
-
Die
Leiterplatten wurden dann elektrisch getestet, um den tatsächlichen
Widerstandswert der galvanisierten Widerstände zu bestimmen, und der tatsächliche
Widerstandswert wurde mit dem eingestellten Widerstandswert verglichen.
Varianzen von 8–10%
wurden festgestellt.
-
Beispiel III
-
Mit
Kupfer kaschierte glasverstärkte
Epoxyd-Laminate wurden mit Hilfe derselben Verfahrensabfolge wie
in Beispiel II prozessiert abgesehen davon, dass am Ende der in
Beispiel II angegebenen Verfahrensschritte die folgende Verfahrensabfolge durchgeführt wurde:
Die
Widerstände
wurden durch Eintauchen der Leiterplatten in eine wässrige Lösung von
40 g pro Liter von Calciumiodat bei 95°C für 5 Min. oxidiert.
-
Die
Leiterplatten wurden dann elektrisch getestet, um den tatsächlichen
Widerstandswert der galvanisierten Widerstände festzustellen. Der tatsächliche
Widerstandswert ist im Vergleich zu den nicht oxidierten Widerständen des
Beispiels II um 300% angestiegen. Varianzen von 5–10% wurden festgestellt.