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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mehrschichtige Leiterplatte
mit einer interstitiellen Kontaktlochstruktur.
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Eine
mehrschichtige Leiterplatte mit einer interstitiellen Kontaktlochstruktur
wird herkömmlich
in der folgenden Weise hergestellt. Kontaktlöcher werden in einem einseitig
kupferkaschierten Laminat so gebildet, dass sie sich durch ein isolierendes
Substrat erstrecken. Jedes Kontaktloch wird mit einer elektrisch
leitenden Paste oder einem Metallleiter mittels Kupferplattieren
gefüllt,
so dass die Paste oder der Leiter von einer Oberfläche des
isolierenden Substrats vorsteht. Andererseits wird eine Kupferfolie durch Ätzen zu
Kontaktstellen auf einer anderen zu laminierenden Leiterplatte gebildet.
Beide Leiterplatten werden durch Thermokompressionsbonden mit einem
dazwischen angeordneten Haftmittel, wie z.B. einem Epoxy, verbunden.
Als Ergebnis werden beide Leiterplatten mit dem Haftmittel dazwischen
laminiert und ein distales Ende jedes Metallleiters der einen Leiterplatte
wird mit der entsprechenden Kontaktstelle der anderen Leiterplatte
in Kontakt gebracht, so dass die Leiterplatten elektrisch miteinander
verbunden werden.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren werden die Leiterplatten
jedoch durch einen mechanischen Kontakt zwischen jedem Metallleiter,
der geringfügig
von der Leiterplatte und der Kontaktstelle vorsteht, elektrisch
verbunden. Demgemäß könnte die
Zuverlässigkeit
noch verbessert werden. Es wurde ein Verfahren zum Galvanisieren
des distalen Endes jedes Metallleiters mit einem Metall mit einem
niedrigen Schmelzpunkt, wie z.B. einem eutektischen Sn/Pb-Lötmittel,
bereitgestellt, um die Zuverlässigkeit
zu verbessern. Da jedoch ein Lötmittel
zum Verbinden verwendet wird, das bei einer relativ niedrigen Temperatur
schmilzt, wird die Zuverlässigkeit
vermindert, wenn die Leiterplatte thermisch belastet wird, wie z.B.
dadurch, dass sie einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Da das
Lötmittel
darüber
hinaus Blei enthält,
ist das vorstehend genannte Verfahren im Hinblick auf Umweltaspekte
nicht bevorzugt.
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Das
US-Patent 5,939,789 beschreibt mehrschichtige Substrate, die durch
Laminieren einer Vielzahl von Substraten hergestellt werden, wobei
jedes Substrat einen Isolierfilm, eine Vielzahl von Kontaktlöchern, die
durch die obere Oberfläche
zu der unteren Oberfläche
des Isolierfilms verlaufen, eine Verdrahtung, die auf der oberen
Oberfläche
des Isolierfilms und der oberen Oberfläche der Kontaktlöcher bereitgestellt
und elektronisch mit den Kontaktlöchern verbunden ist, ein Verbindungselement,
das auf den unteren Oberflächen
der Kontaktlöcher bereitgestellt
und elektronisch mit den Kontaktlöchern verbunden ist, und eine
Verbindungsschicht, die auf der oberen Oberfläche des Isolierfilms bereitgestellt ist,
umfasst, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Das
US-Patent 5,873,161 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von
Z-Achsenverbindungen zwischen benachbarten Schaltungsschichten mit elektrisch
leitenden Spuren in mehrschichtigen Schaltungen, welches das Verbinden
eines leitenden Elements aus einem verformbaren Material mit einer Leiterplattenschicht
und Abscheiden einer Haftmittelschicht über einer angrenzenden Leiterplattenschicht umfasst.
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Eine
erste Erfindung zur Lösung
des vorstehend genannten Problems ist eine mehrschichtige Leiterplatte,
in welcher ein in einem isolierenden Substrat gebildetes Kontaktloch
mit einem Metallleiter gefüllt
ist, wobei die mehrschichtige Leiterplatte mit einer anderen Leiterplatte
laminiert und erwärmt
und gepresst ist, so dass ein distales Ende des Metallleiters an
einen auf einer Oberfläche
der anderen Leiterplatte gebildeten Leiterkreis angrenzt, so dass
die Leiterplatte elektrisch mit der anderen Leiterplatte verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das distale Ende des
Metallleiters oder die Oberfläche
des Leiterkreises ein diffundierendes Metall aufweist, welches einen
höheren
Schmelzpunkt aufweist als eine Temperatur, bei der beide Leiterplatten
gepresst werden, und während
des Pressens der Leiterplatten in das Gegenmetall diffundiert, und
dass eine Legierungsschicht zwischen dem Leiterkreis und dem diffundierenden
Metall gebildet ist.
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Eine
zweite Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Oberfläche der
anderen Leiterplatte gebildete Leiterkreis oder der Metallleiter Kupfer
umfasst und das distale Ende des Metallleiters mit einer Zinn umfassenden
diffundierenden Metallschicht bedeckt ist.
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Eine
dritte Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktloch
durch Galvanisieren mit dem Metallleiter gefüllt ist.
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Eine
vierte Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die in einem der
Ansprüche
1 bis 3 beschriebenen Leiterplatten durch Thermokompressionsbonden
miteinander verbunden sind, so dass das Metall des distalen Endes
von einer Leiterplatte in das Leiterkreis-Metall der anderen Leiterplatte
diffundiert ist, so dass beide Leiterplatten elektrisch miteinander
verbunden sind.
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Vorzugsweise
ist die vorstehend definierte mehrschichtige Leiterplatte dadurch
gekennzeichnet, dass die Legierungsschicht das Leiterkreis-Metall und
das diffundierende Metall umfasst.
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Vorzugsweise
ist die vorstehend definierte mehrschichtige Leiterplatte dadurch
gekennzeichnet, dass ein Haftmittel auf einem Teil der Leiterplatte
bereitgestellt ist, auf welchem sowohl der Metallleiter als auch
der Leiterkreis nicht gebildet sind.
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Eine
fünfte
Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen
Leiterplatte, in welcher eine Vielzahl von Leiterplatten durch Thermokompressionsbonden
miteinander in einen laminierten Zustand verbunden werden, um integriert
zu sein, und ein distales Ende des auf einer der Leiterplatten bereitgestellten
Metallleiters gegen einen Leiterkreis gepresst wird, welcher auf
einer Oberfläche der
anderen Leiterplatte gebildet ist, so dass die Leiterplatte elektrisch
mit der anderen Leiterplatte verbunden wird, gekennzeichnet durch
den Schritt des Bildens eines Kontaktloches in einem isolierenden Substrat
der einen Leiterplatte, den Schritt des Füllens des Kontaktloches mit
einem Metallleiter, den Schritt des Bildens einer diffundierenden
Metallschicht, umfassend ein diffundierendes Metall, welches einen
höheren
Schmelzpunkt aufweist als eine Temperatur, bei der beide Leiterplatten
durch das Thermokompressionsbonden miteinander verbunden werden,
und während
des Thermokompressionsbondens der Leiterplatten in das Gegenmetall
diffundiert, und den Schritt des Bildens einer Legierungsschicht
zwischen dem Leiterkreis und dem diffundierenden Metall durch das
Bonden beider Leiterplatten durch Thermokompressionsbonden, wobei der
Metallleiter gegen den Leiterkreis der Gegen-Leiterplatte gepresst
wird.
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Eine
sechste Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Thermokompressionsbonden beider
Leiterplatten ein Oberflächen-Aufrauungsverfahren
auf entweder eines oder beide der distalen Enden des Metallleiters
und der Oberfläche
des Leiterkreises angewendet wird.
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Vorzugsweise
ist das vorstehend definierte Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen
Leiterplatte dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsschicht
das Leiterkreis-Metall und das diffundierende Metall umfasst.
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Vorzugsweise
ist das vorstehend definierte Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen
Leiterplatte dadurch gekennzeichnet, dass ein Haftmittel auf einem
Teil der Leiterplatte bereitgestellt ist, auf welchem sowohl der
Metallleiter als auch der Leiterkreis nicht gebildet sind.
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Gemäß der ersten
Erfindung der mehrschichtigen Leiterplatte und der fünften Erfindung des
Verfahrens zur Herstellung der mehrschichtigen Leiterplatte ist
bzw. wird die mehrschichtige Leiterplatte mit einer anderen Leiterplatte
laminiert und beide Leiterplatten sind bzw. werden durch das Thermokompressionsbonden
verbunden, während
der Metallleiter einer Platte gegen den Leiterkreis der anderen
Platte gepresst ist bzw. wird. In diesem Fall verursacht der Druck,
der auf eine Grenzfläche
ausgeübt
wird, eine Diffusion des Metalls selbst dann, wenn mindestens das
distale Ende des Metallleiters oder die Oberfläche des Leiterkreises ein Metall
mit einem Schmelzpunkt umfasst, der höher ist als die Temperatur
des Thermokompressionsbondens. Als Ergebnis kann eine Metallverbindung
mit einer hohen Festigkeit und guten elektrischen Eigenschaften
erhalten werden. Demgemäß löst sich
selbst dann, wenn die mehrschichtige Leiterplatte einer thermischen
Belastung unterliegt, wie z.B. dadurch, dass sie einer hohen Temperatur
ausgesetzt wird, die Verbindung nur schwer und eine hohe Zuverlässigkeit
der elektrischen Verbindung wird erhalten. In diesem Fall findet die
Metalldiffusion früher
statt, wenn entweder eine oder beide der Oberflächen des Metallleiters und
des Leiterkreises aufgeraut wird bzw. werden. Wenn ferner das Oberflächen-Aufrauungsver-fahren
im Vorhinein auf die Kontaktoberfläche angewandt wird, wird der
Kontaktoberflächenbereich
derart erhöht, dass
die Metalldiffusion glatter abläuft.
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In
der zweiten Erfindung sind der Leiterkreis und der Metallleiter
aus Kupfer hergestellt und demgemäß weist jeder einen niedrigen
spezifischen Widerstand auf. Darüber
hinaus diffundiert Zinn auf der Oberfläche von Kupfer von einem Element
in Kupfer, so dass eine Kupfer-Zinn-Legierung
mit einem hohen Schmelzpunkt gebildet wird. Ferner wird gemäß der mehrschichtigen
Leiterplatte von Anspruch 3, bei der das Durchgangsloch durch das
Galvanisieren mit dem Metallleiter gefüllt ist, die Dichte des Metallleiters
derart erhöht,
dass der spezifische Wiederstand vermindert ist.
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In
jeder Erfindung ist das isolierende Substrat vorzugsweise ein Glasgewebe-Epoxyharz-Substrat, ein Glasgewebe-Bismaleimidtriazinharz-Substrat,
ein Glasgewebe-Polyphenylenetherharz-Substrat oder ein Aramidfaservlies-Polyimidharz-Substrat. Das
Haftmittel, das die Leiterplatten im laminierten Zustand verbindet,
ist vorzugsweise ein wärmehärtendes
bzw. -abbindendes Epoxyharz. In diesem Fall liegt die Temperatur
vorzugsweise im Bereich zwischen 180°C und 230°C und der Druck liegt vorzugsweise
im Bereich zwischen 10 und 60 kg/cm2. Das Thermokompressionsbonden
wird vorzugsweise unter vermindertem Druck durchgeführt.
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1 ist
eine Schnittansicht, die Schritte des Herstellens einer mehrschichtigen
Leiterplatte einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,
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2 ist
eine Schnittansicht, die eine erste Hälfte von Schritten des Herstellens
einer einseitigen Leiterplatte zeigt,
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3 ist
eine Schnittansicht, die eine zweite Hälfte von Schritten des Herstellens
einer einseitigen Leiterplatte zeigt,
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4 ist
eine Schnittansicht, die Schritte des Herstellens eines Kernsubstrats
zeigt,
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5 ist
eine typische Schnittansicht einer Verbindung zwischen einem Metallleiter
und einem Leiterkreis, und
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6 ist
eine Schnittansicht, die Schritte des Herstellens einer mehrschichtigen
Leiterplatte einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
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Die 1(B) veranschaulicht eine mehrschichtige
Leiterplatte 100 der Ausführungsform im fertiggestellten
Zustand. Die mehrschichtige Leiterplatte 100 wird durch
Laminieren und Verbinden einer Vielzahl einseitiger Leiterplatten 30 auf
beiden Seiten eines Kernsubstrats 50 gebildet, wie es in
der 1(A) gezeigt ist. Als erstes werden
Herstellungsschritte für
die einseitige Leiterplatte 30 unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben.
Die Herstellung beginnt mit einem einseitig kupferkaschierten Laminat 10.
Das Laminat 10 weist eine bekannte Struktur auf, d.h. eine
Kupferfolie 12 wird auf einer Seite eines isolierenden
Substrats aus z.B. einem Glasgewebe-Epoxyharz fixiert. Laserstrahlen
werden auf das isolierende Substrat 11 auf der Seite des
isolierenden Substrats eingestrahlt, so dass Kontaktlöcher 13,
die sich durch das isolierende Substrat 11 erstrecken,
so gebildet werden, dass sie an jeweiligen vorgegebenen Stellen
vorliegen (vgl. die 2(B)).
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Diese
Laserstrahlbearbeitung wird z.B. durch einen Pulsoszillations-CO2-Gaslaser durchgeführt. Bezüglich der Bearbeitungsbedingungen
liegt die Pulsenergie vorzugsweise im Bereich zwischen 2,0 und 10,0
mJ, die Pulsbreite liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und
100 μs,
das Pulsintervall liegt vorzugsweise bei oder über 0,5 ms und die Anzahl der
Belichtungen liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3 und 50. Es
wird empfohlen, dass der Durchmesser einer Öffnung jedes Kontaktlochs 13
im Bereich zwischen 50 und 250 μm
liegt.
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Danach
wird eine Entfettung durchgeführt, so
dass das Harz, das in den Kontaktlöchern 13 verbleibt,
entfernt werden kann. Das Entfetten umfasst eine Sauerstoffplasmaentladung,
ein Koronaentladungsverfahren, eine Kaliumpermanganat-Behandlung,
usw., und ist zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit der Verbindung erwünscht. Jedes
Kontaktloch 13 wird mit einem Metallleiter 14 oder
Kupfer durch Galvanisieren mit der Kupferfolie 12, die
als eine Elektrode dient, gefüllt
(vgl. die 2(C)). Eine obere Fläche des
Metallleiters 14 in jedem Durchgangsloch 13 ist
zu der Oberfläche
des isolierenden Substrats 11 vorzugsweise koplanar.
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Anschließend werden,
nachdem eine Schutzfolie 15 an der Kupferfolie 12 fixiert
worden ist (vgl. die 2(D)), eine Säurebehandlung
und ein Spülschritt
durchgeführt.
Ein distales Ende jedes Metallleiters 14 wird mit einer
diffundierenden Metallschicht 16, die eine Dicke im Bereich
zwischen 10 und 20 μm
aufweist und Zinn umfasst, durch Verzinnen bedeckt (vgl. die 3(E)). Ein Epoxyhaftmittel 40 wird
auf die gesamte Oberfläche
des isolierenden Substrats 11 auf der Seite der diffundierenden
Metallschicht 16 aufgebracht. Das Haftmittel 40 wird
vorgetrocknet, so dass es halbgehärtet ist. Eine Schutzschicht 17 wird
an dem Haftmittel 40 angebracht (vgl. die 3(F)).
Danach wird die Schutzfolie 15 auf der Seite der Kupferfolie 12 abgelöst und die
Kupferfolie 12 wird durch ein bekanntes Maskenätzverfahren
zu einer vorgegebenen Struktur ausgebildet, so dass ein Leiterkreis 8 gebildet
wird. Auf diese Weise wird die einseitige Leiterplatte 30 fertiggestellt
(vgl. die 3(G)).
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Das
Kernsubstrat wird so hergestellt, wie es in der 4 gezeigt
ist. Die Herstellung beginnt mit einem einseitig kupferkaschierten
Laminat 60 mit einer bekannten Struktur, d.h. eine Kupferfolie 62 wird an
einer Seite eines isolierenden Substrats 61 angebracht.
Kontaktlöcher 63,
die sich durch das isolierende Substrat 61 erstrecken,
sind so ausgebildet, dass sie an jeweils vorgegebenen Stellen angeordnet
sind (vgl. die 4(B)). Jedes Kontaktloch 63 wird
mittels Galvanisieren mit einem Metallleiter 64 oder Kupfer
gefüllt
(vgl. die 4(C)). Danach wird eine
Schutzfolie 65 an der Kupferfolie 62 angebracht (vgl.
die 4(D)). Nachdem eine chemische
Plattierungsschicht 66 auf der anderen Seite des isolierenden
Substrats 61 gegenüber
der Kupferfolie 62 gebildet worden ist, wird ein Galvanisieren
(Plattenplattieren) durchgeführt,
wobei die chemische Plattierungsschicht 66 als eine Elektrode
dient, so dass eine Galvanisierungsschicht 67 stapelartig
gebildet wird. Durch das bekannte Ätzen wird ein erster Leiterkreis 51 gebildet.
Nach dem Ablösen
der Schutzfolie 65 wird durch das Ätzen ein zweiter Leiterkreis 52 auf der
gegenüber
liegenden Kupferfolie 62 gebildet. Das Substrat wird dann
in ein Ätzmittel
aus einer organischen Säure
für ein
sanftes Ätzen
eingetaucht, so dass die Oberfläche
der Struktur aufgeraut wird, wodurch das Kernsubstrat 50 gebildet
wird (vgl. die 4(E)).
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Zur
Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte 100 werden
zwei einseitige Leiterplatten 30, von denen die Schutzfolien 17 abgelöst worden
sind, an beiden Seiten des Kernsubstrats 50 gemäß der 1(A) angeordnet. Diese werden in eine
Heizvakuumpresse eingebracht, so dass sie in einem laminierten Zustand
gepresst werden, während
sie bei einer vorgegebenen Temperatur erwärmt werden. Distale Enden der
Metallleiter 14 jeder einseitigen Leiterplatte 30 werden
gegen die Leiterkreise 51 und 52 des Kernsubstrats 50 und
die Leiterkreise 18 der inneren einseitigen Leiterplatten 30 gepresst.
Folglich pressen die distalen Enden der Metallleiter 14 die Leiterkreise 18, 51 und 52,
die sich durch das Haftmittel 40 erstrecken.
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Die
Heiztemperatur ist nur eine Temperatur, bei der das Epoxyhaftmittel 40 härtet, selbst
wenn die Heiztemperatur bei oder unter dem Schmelzpunkt von Zinn
(230°C)
liegt. Beispielsweise wird empfohlen, dass die Heiztemperatur im
Bereich zwischen 180°C
und 230°C
liegt. Ferner wird ein relativ hoher Druck im Bereich zwischen 10
kg/cm2 und 60 kg/cm2 ausgeübt und der
Zustand mit ausgeübtem
Druck wird vorzugsweise z.B. für
mehr als 70 min aufrechterhalten. Als Ergebnis werden die distalen
Enden der Metallleiter 14, die mit den jeweiligen diffundierenden Metallschichten 16 aus
Zinn ausgestattet sind, gegen die Kupferoberflächen der Leiterkreise 18, 51 und 52 gepresst,
wodurch die Aktivität
in der Grenzfläche hoch
ist. Demgemäß diffundieren
Kupferatome nach und nach in Zinn, so dass in der Grenzfläche eine
Legierungsschicht gebildet wird. Gemäß den Ergebnissen der Fluoreszenzröntgenspektroskopie
des Schnitts, wie er typischerweise in der 5 gezeigt ist,
diffundieren die Kupferatome vorwiegend in Zinnatome der diffundierenden
Metallschicht 16, so dass eine Legierungsschicht 16A aus
Kupfer-Zinn gebildet wird. Ferner härtet durch den Schritt des
Thermokompressionsbondens das Haftmittel 40 vollständig und
die Leiterplatten 30 und 50 werden im laminierten
Zustand verfestigt.
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Gemäß der mehrschichtigen
Leiterplatte 100 der Ausführungsform verursacht der Druck
auf die Grenzfläche
zwischen Kupfer und Zinn eine Diffusion des Metalls. Als Ergebnis
wird eine Metallverbindung mit einer hohen Festigkeit und guten
elektrischen Eigenschaften erhalten. Demgemäß löst sich selbst dann, wenn die
mehrschichtige Leiterplatte einer thermischen Belastung unterliegt,
wie z.B. dadurch, dass sie einer hohen Temperatur ausgesetzt wird,
die Verbindung nur schwer und eine hohe Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung
wird erhalten.
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Obwohl
in der vorstehenden Ausführungsform
ein Zinnplattieren nur auf die distalen Enden der Metallleiter 14 angewandt
wird, können
dünne,
zinnplattierte Schichten mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis
2 μm auf
der Gegen-Kupferfolie (Leiterkreise 18, 51 und 52)
gebildet werden.
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Zweite Ausführungsform
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Die 6 zeigt
eine zweite Ausführungsform der
Erfindung. Die zweite Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform bezüglich der
Bildung der diffundierenden Metallschichten 16 auf den
Leiterkreisen 51 und 52 des Kernsubstrats 50.
In diesem Fall steht der Metallleiter 14, der jedes Kontaktloch 13 der
einseitigen Leiterplatte 30 füllt, vorzugsweise geringfügig von
der Oberfläche des
isolierenden Substrats 11 vor. Da die Metallverbindung,
die eine hohe Festigkeit und gute elektrische Eigenschaften aufweist,
in dieser Ausführungsform
so wie in der vorhergehenden Ausführungsform erhalten wird, wird
eine hohe Zuverlässigkeit
der elektrischen Verbindung erhalten.
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Andere Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung soll nicht durch die vorstehend unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden.
Beispielsweise sind die folgenden Ausführungsformen vom technischen
Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst. Ferner kann die
Erfindung in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne vom Prinzip
der Erfindung abzuweichen.
- (1) Obwohl der Metallleiter,
der jedes Kontaktloch füllt,
in den vorstehenden Ausführungsformen durch
Galvanisieren gebildet wird, kann eine elektrisch leitende Paste
als Metallleiter ausgebildet werden.
- (2) Obwohl der erste und der zweite Leiterkreis in den vorstehenden
Ausführungsformen
durch das Subtraktionsverfahren gebildet werden, können die
Kreise durch ein additives Verfahren gebildet werden, in dem der
elektrisch leitende Pfad nur in einem erforderlichen Abschnitt gebildet
wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte
und eine mehrschichtige Leiterplatte bereitstellen, wobei die mehrschichtige
Leiterplatte eine hohe Zuverlässigkeit
der elektrischen Verbindung zwischen Schichten aufweist.