DE10315459A1

DE10315459A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Leiterplatte für elektronische Geräte

Info

Publication number: DE10315459A1
Application number: DE2003115459
Authority: DE
Inventors: Michael Lambertson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-10-14

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte für elektronische Geräte aus einem aus Isolierstoff bestehenden Basisträger aus Kunststoff und einem darauf befindlichen Layout aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus Kupfer, wobei das Layout spiegelbildlich erstellt wird und als Tonerauflage auf eine mit einer Kunststoffschicht belegten und als Zwischenträger dienende Transferfolie aufgebracht wird und mittels der Transferfolie auf eine Rohplatine aus Basisträger und elektrisch leitender Beschichtung übertragen wird, wonach die Transferfolie von der Rohplatine abgezogen und die vom übertragenen Layout nicht abgedeckten Teile der Beschichtung abgetragen werden, wonach die das Layout abdeckende Tonerschicht mit einem Lösungsmittel entfernt wird.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung einer Leiterplatte für elektronische Geräte aus einem aus Isolierstoff bestehenden Basisträger aus Kunststoff und einem darauf befindlichen Layout aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus Kupfer, sowie einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Technisches Gebiet
Leiterplatten für den Einsatz in elektronischen Geräten haben eine überaus weite Verbreitung gefunden. Es kommen sowohl starre als auch flexible Leiterplatten zum Einsatz. Ihre Fertigung geschieht überwiegend stückweise. Mehr und mehr finden auch kontinuierliche Fertigungsverfahren Anwendung. Gemeinsam allen Herstellungsverfahren ist, daß die Leiterplatten als flächige Gebilde ausgestaltet sind.

Eine gängige Methode, Leiterplatten herzustellen, ist die Additiv-Methode, bei der die Leiterbahnen auf chemischen Wege aufgebaut werden. In ein Basismaterial aus Isolierstoff werden entsprechend des vorgegebenen Layouts Metallkeime verankert, die in einem Kupferbad zur Endstärke ergänzt werden. In diese Richtung geht beispielsweise die DE-OS 35 32 834 .

Eine andere Methode, die Subtraktiv-Methode, sieht vor, das Basismaterial mit einem dünnen Metallfilm zu beschichten und durch selektives Abätzen des Metallfilms die Leiterbahnen herzustellen. Das Basismaterial mit dem Metallfilm wird hierfür mit einem lichtempfindlichen Polymerisatfilm beschichtet, der entsprechend den zu entfernenden Teilen des Layouts belichtet wird.

Durch die DE-OS 198 47 088 ist schließlich ein Verfahren bekannt geworden, bei dem die Leiterbahnstruktur unmittelbar auf das Basismaterial aufgedruckt wird.

Jedes der genannten Verfahren ist in der Anwendung zeitaufwendig und mit beträchtlichen Kosten verbunden. Sie stellen außerdem eine beträchtliche Umweltbelastung dar.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten zu schaffen, das einfach zu handhaben ist, auf komplizierte und kostspielige Apparaturen verzichtet und mit geringstem Kostenaufwand durchgeführt werden kann. Dabei sollen die Leiterplatten höchsten Ansprüchen an Qualität genügen. Außerdem soll eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens vorgeschlagen werdern.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 15 erreicht. Die Unteransprüche 2 bis 14 sowie 16 und 17 stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.

Nach der Erfindung wird zunächst in an sich bekannter Weise das Layout erstellt. Hierfür kann ein Computer mit einem CAD-Programm herangezogen werden. Sodann wird das Layout im Drucker ausgedruckt und im Photokopierverfahren oder einem anderen mit einem Toner arbeitenden Verfahren spiegelbildlich auf eine Transferfolie aufgebracht. Als Transferfolie wird eine Klarsichtfolie benutzt, die vorzugsweise aus Polypropylen hergestellt ist. Die Transferfolie ist mit einem Polymer, insbesondere Polyäthylen, Polyurethan oder dergleichen beschichtet. Diese Beschichtung eignet sich für das Photokopierverfahren, so daß das Ausbringen des Layouts auf die Transferfolie durch ein auf Tonerbasis arbeitendes Xerokopierverfahren erfolgen kann. Verwendbar sind hier alle auf Tonerbasis arbeitenden Xerokopiergeräte oder Laserdrucker.

Von der Transferfolie wird das durch den Toner wiedergegebene Layout auf eine Rohplatine übertragen. Die Rohplatine besteht aus einem Basisträger aus Isolierstoff, z.B. einem Kunststoff, und einer Beschichtung aus elektrisch leitendem Material. Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einem dünnen Metallfilm aus Kupfer mit einer Schichtdicke von 0,2 bis 0,6 μm. Die Übertragung erfolgt durch Auflegen der mit dem Toner-Layout versehenen Transferfolie auf die Rohplatine in der Weise, daß die Kupferschicht der Rohplatine und die Polymerschicht der Toner-Layout-Transferfolie aneinander liegen. Die Transferfolie wird an die Rohplatine angepreßt und erhitzt. Der Innpreßdruck beträgt 2 bis 8 bar. Er ist für die sichere Positionierung der Folie auf der Platine erforderlich. Für den Transfer der Layoutschicht auf die Platine ist eine Erhitzung der Transferfolie erforderlich, die auf eine Temperatur zu erhitzen ist, bei der die auf der Transferfolie vorhandene Polymerbeschichtung schmilzt, so daß das Toner-Layout von der Transferfolie auf die Rohplatine übergeht. Je nach der eingesetzten Polymerbeschichtung ist die Temperatur im Bereich von 90°C bis 220°C zu wählen. Bevorzugt wird ein Temperaturbereich von 95°C bis 120°C. Die Übertragungszeit beträgt bei Geräten, die schnell auf die gewollte Temperatur erhitzt oder auf einer eingestellten Temperatur gehalten werden können, nur wenige Minuten, meist jedoch nur Sekunden. Versuche ergaben Übertragungszeiten von 3 bis 60 Sekunden. Bei größeren Platinen wurden Übertragungszeiten bis zu 2 Minuten als günstig ermittelt. Bei diesem Vorgang wird nur das Toner-Layout mechanisch übertragen. Die Polymerbeschichtung verbleibt auf der Transferfolie.

Nach dem Übertragungsvorgang wird die Folie mit Wasser angefeuchtet und dabei abgekühlt. So dann wird die Folie mit der Kunststoffbeschichtung von der Rohplatine abgezogen und das Layout ist einwandfrei auf der Platine mechanisch fixiert. Der Toner dient jetzt als Schutz des Layouts gegen das folgende Ätzbad. Die vom Layout nicht abgedeckten Teile der Beschichtung der Rohplatine können nun abgetragen werden, was durch Wegätzen durchgeführt werden kann. Hiernach wird die Tonerschicht, welche das Layout gebildet hat, durch einen geeigneten Verdünner, beispielsweise einen Universalverdünner, entfernt und die auf der Platine abgebildeten Leiterbahnen freigelegt. Hiernach werden die Stellen des Layouts, die einem späteren Lötvorgang unterzogen werden, isoliert. Dieses erfolgt, indem erneut vermittels einer Transferfolie auf den Lötstellen des Layouts eine Tonerauflage aufgebracht wird. Hierbei wird zunächst ein Layout mit den Lötstellen im Computer spiegelbildlich hergestellt und ausgedruckt, das Lötstellen-Layout auf eine Transferfolie übertragen und der gesamte Übertragungsvorgang wiederholt mit Ausnahme des Abtragens der Tonerisolierung. Als Ergebnis sind die Lötstellen mit dem Toner bedeckt und die Leiterbahnen frei. Die Platine wird sodann in einem Zinnbad behandelt. Das Kupfer-Layout reagiert mit dem Zinn und es entsteht eine sehr dünne Schicht auf dem Kupfer, die einen Korrosionsschutz bildet und die bei einem späteren Löten die Annahme des Lots verhindert.

Je nach Bedarf und in Abhängigkeit vom Einsatzgebiet der Leiterplatte wird das Layout mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen. Der Überzug ist an den erforderlichen Kontaktstellen mit Durchbrechungen versehen. Auch können entsprechende Bohrungen im Basisträger angebracht werden.

Gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Leiterplattenherstellung hat das erfindungsgemäße Verfahren eine Reihe von Vorteilen.

So entfällt die Laminierung der Rohplatine mit einem Film, der auf die mit Kupfer belegte Seite bzw. Seiten der Isolierschicht aufzutragen ist. Eine Photographie des Layouts wird nicht benötigt. Es entfällt auch das Ätzbad zum Entfernen der Laminierung nach der Bestrahlung der Rohplatine.

Mittels eines Computers mit einem geeigneten CAD-Programm wird in an sich bekannter Weise ein Layout für eine Leiterplatte erstellt. Das Layout wird spiegelbildlich in Originalgröße ausgeführt und mit einem Drucker ausgedruckt. Sodann wird das spiegelbildliche Layout mit einem auf Tonerbasis arbeitenden Xeroxkopiergerät auf eine Transferfolie übertragen. Der auf der Transferfolie anhaftende Toner gibt ein Layout wieder, das als Toner-Layout bezeichnet wird.
Die mit dem Toner-Layout versehene Transferfolie wird mit einer Rohplatine zusammengeführt. Die Rohplatine hat den bekannten Aufbau. Sie besteht aus einem isolierenden Basisträger aus Kunststoff mit einer elektrisch leitenden Beschichtung aus Kupfer. Die Transferfolie wird mit ihrer das Toner-Layout tragenden Schicht auf die Kupferschicht des Basisträgers aufgelegt. Beide Teile werden in eine beheizbare Presseneinrichtung eingelegt. In der Presseneinrichtung wird die Transferfolie durch den Pressenstempel an die Rohplatine angedrückt und erhitzt. Das Erhitzen wird bis auf eine Temperatur von 110°C durchgeführt. Diese Temperatur ist ausreichend, um die Polyäthylen/Wachs-Beschichtung auf der Folie zum Schmelzen zu bringen und die mechanische Übertragung des Toner-Layouts auf die Rohplatine zu vollziehen. Der Stempel der Presseneinrichtung ist mit einem weichen Elastomer überzogen, damit die Transferfolie mit gleichmäßigem Druck an die Rohplatine angedrückt wird. Der Pressendruck beträgt 5 bar. Der Pressenstempel ist mit einer elektrischen Heizeinrichtung versehen, um die gewollte Übertragungstemperatur zu erreichen. Ein einstellbarer Temperaturbegrenzer sorgt dafür, daß die gewollte Temperatur nicht überschritten wird. Nach 50 sek. ist der Übertragungsvorgang beendet. Rohplatine mit Transferfolie können der Presse entnommen werden.
Hiernach wird die Folie mit Wasser abgekühlt. Für den Befeuchtungsvorgang kann die Platine mit der Folie in ein Wasserbad eingetaucht werden. Das Trägerpapier wird dadurch weich und die Tonerübertragung kann beim Abziehen von der Platine nicht beschädigt werden. Das Toner-Layout befindet sich jetzt auf der Rohplatine. Die Platine wird sodann mit einem Ätzmittel behandelt und die vom Toner-Layout nicht bedeckten Kupferteile werden von der Platine weggeätzt.
Daran anschließend wird der Toner mittels eines Nitroverdünners von der Platine entfernt und dadurch die Leiterbahnen freigelegt. Hiernach wird ein gesondert spiegelbildlich hergestelltes Lötstellen-Layout herangezogen, das nur die späteren Lötstellen des Layouts enthält. Dieses Lötstellen-Layout ist dem Computer zu entnehmen. Wie voranstehend wird dieses Lötstellen-Layout mittels einer Transferfolie auf die Platine mit dem Layout übertragen. Die Entfernung des Toners von den Lötstellen erfolgt jedoch erst vor dem Lötvorgang. Vorher wird die Platine in ein Zinnbad getaucht und dadurch werden die Leiterbahnen mit einer dünnen Isolierschicht überzogen.
Die Fertigung des Produkts ist äußerst einfach und das Produkt erfüllt die im Gebrauch gestellten Anforderungen. Selbst feinste Leiterbahnen haben glatte Ränder und einen gleichmäßigen Durchmesser.
Im Ausführungsbeispiel ist eine Leiterplatte mit einer einseitigen Anbringung der Leiterbahnen beschrieben. Es ist aber auch möglich, die Leiterplatte beidseitig mit Leiterbahnen zu versehen oder gar mehrere Leiterbahnen miteinander zu verbinden. In beiden Fällen sind an den Leiterplatten entsprechende Bohrungen zur Durchkontaktierung anzubringen. Für die Ausbildung von Kontaktstellen sind die Innenseiten der Bohrungen mit Kupferüberzügen zu versehen.
Das in der 1 dargestellte Schema zeigt den Verfahrensablauf.
1
Erstellen des spiegelbildlichen Layouts
Aufbringen des Layouts als Toner auf eine Transferfolie
Zusammenfügen von Transferfolie und Rohplatine
Übertragung des Toner-Layouts von der Transferfolie auf die Rohplatine
Abziehen der Transferfolie von der Rohplatine
Wegätzen der überflüssigen Beschichtung von der Rohplatine
Entfernung der Layout-Tonerschicht von der Platine
Aufbringen eines Lötstellen-Toner-Layouts auf die Platine unter Verwendung einer Transferfolie
Abziehen der Transferfolie von der Platine
Behandlung der Platine in einem Zinnbad
Entfernung des Lötstellen-Toner-Layouts von der Platine

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte für elektronische Geräte aus einem aus Isolierstoff bestehenden Basisträger aus Kunststoff und einem darauf befindlichen Layout aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus Kupfer, dadurch gekennzeichnet, daß das Layout spiegelbildlich erstellt wird und als Tonerauflage auf eine mit einer Kunststoffschicht belegten und als Zwischenträger dienende Transferfolie aufgebracht wird und mittels der Transferfolie auf eine Rohplatine aus Basisträger und elektrisch leitender Beschichtung übertragen wird, wonach die Transferfolie von der Rohplatine abgezogen und die vom übertragenen Layout nicht abgedeckten Teile der Beschichtung abgetragen werden, wonach die das Layout abdeckende Tonerschicht mit einem Lösungsmittel entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Layout mittels eines Computers mit einem CAD-Programm erstellt und ausgedruckt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Layout in der vorgegebenen Originalgröße im Maßstab 1:1 erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transferfolie eine mit einem Polyäthylen oder Polyurethan und gegebenenfalls Wachs beschichtete Klarsichtfolie vorzugsweise aus Polypropylen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Layouts auf die Transferfolie durch ein auf Tonerbasis arbeitendes Xerokopierverfahren mittels eines Kopiergerätes oder durch Laserdrucker erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragen des Layouts von der Transferfolie auf die Rohplatine durch Anpressen der Transferfolie an die Rohplatine und Erhitzen der Transferfolie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des Layouts von der Transferfolie auf die Rohplatine unter Anpressen der Transferfolie an die Rohplatine mit einem Druck von 2 bis 8 bar, vorzugsweise 3 bar, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des Layouts von der Transferfolie auf die Rohplatine bei erhöhter Temperatur im Bereich von 90° bis 220°C, vorzugsweise von 95°C bis 120°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungszeit (Hitzeeinwirkung und Druck) für das Layout 3 bis 60 sek. beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transferfolie vor dem Abziehen von Rohplatine angefeuchtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen der vom Layout nicht erfaßten Teile der Beschichtung der Rohplatine durch Wegätzen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der nach dem Wegätzen verbliebenen Layout-Tonerschicht von der Platine durch einen Universalverdünner, insbesondere Nitroverdünner, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötstellen des Layouts unter Verwendung eines Lötstellen-Layouts mit einer Tonerschicht isoliert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine in einem Zinnbad behandelt wird.
Leiterplatte nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 14.
Vorrichtung zur Durchführung der Übertragung des Layouts von der Transferfolie auf die Rohplatine, gekennzeichnet durch einen Stempeltisch zur ortsgenauen Auflage der Rohplatine und der Transferfolie und einen in Richtung auf die Rohplatine mit der aufgelegten Transferfolie beweglichen mit einer Heizung versehenen und in Preßlage feststellbaren Stempel.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel aus einer beheizbaren Stempelplatte aus Metall und einer auf seiner Andrückseite angebrachten Matte aus einem Elastomer besteht.