Ein universelles Kontakt-Verfahren

Dipl.-Ing. Rüdiger Dietrich

Bei Leiterplatten in mittleren und großen Serien schlägt die Kostensenkung besonders zu Buche. Diese Serien stehen unter einem hohen Preisdruck; Kosteneinsparungen im Produktionsprozeß entscheiden über die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit des Endproduktes. Eine Kostensenkung kann durch die Substitution teurer Rohstoffe sowie durch eine Vereinfachung der Produktion erzielt werden. Carbon-Leitlacke erfüllen beide Kriterien.

An Kontaktstellen beispielsweise wird nicht nur das teure Gold ersetzt, sondern es entfällt auch das aufwendige Handling in der Galvanik. Werden zweiseitige, durchkontaktierte Leiterplatten durch einseitige mit sich kreuzenden Carbonleitern ersetzt, sind die Einsparungseffekte noch größer; es entfällt neben dem Naßprozeß bei der Durchkontaktierung auch die getrennte Bearbeitung der beiden Leiterplattenseiten. Außerdem kann anstelle des zweiseitigen, kupferkaschierten Basismaterials einseitiges verwendet werden. Daneben wird der Produktionsprozeß sicherer gestaltet.

Können Widerstände mit Carbon-Leitlack gleich auf das Basismaterial gedruckt werden, wird der Bestückungsaufwand reduziert, außerdem lassen sich bei Multilayern Lagen einsparen. Die aus Labor- und Praxiserfahrung zusammengestellten Hinweise ermöglichen eine problemlose Einführung von Carbon-Leitlacken für die beschriebenen Anwendungsgebiete. Eine Kostenrechnung, erstellt von einem Anwenderbetrieb, zeigt die Größenordnung der möglichen Ersparnisse.

Carbon-Leitlacke bestehen im wesentlichen aus einem oder mehreren Binde- und Lösungsmitteln sowie Füllstoffen oder Pigmenten. Bei der Herstellung werden die festen Bestandteile mit hochtourigen Rührwerken in die flüssigen Bestandteile dispergiert und gleichmäßig verteilt. Nach der Applikation des Lackes verdunsten die Lösungsmittel, nach dem Aushärten verbleibt ein Polymerfilm auf dem Substrat, in den die Feststoffe homogen eingebettet sind. Um einen Leitlack herzustellen, müssen leitende Substanzen eingebracht werden, deren Konzentration so groß sein muß, daß durch eine Berührung der einzelnen Partikel oder den Abstand zueinander (10 nm) im Lacksystem ein Stromfluß möglich wird. Die maximale Konzentration der leitenden Partikel ist von der Struktur und der spezifischen Oberfläche abhängig. Es können dem Lack nur so viel leitfähige Feststoffe zugegeben werden, wie vom Polymer homogen eingebettet werden können.

Als leitende Substanzen können grundsätzlich Metall-, Edelmetallpulver und Kohlenstoffpulver verwendet werden. Durch den Einsatz von Metall oder Edelmetall können im Vergleich zu Kohlenstoff Leitwerte erreicht werden, die um rund drei Zehnerpotenzen höher sind. Das liegt an der höheren spezifischen Leitfähigkeit der Metalle und an der geringeren spezifischen Oberfläche von Metallpulvern, so daß höhere Konzentrationen im Lack möglich sind.

Dafür stellen sich aber unter anderem die Probleme der Oxidation, Korrosion und Migration beim Einsatz von Silber ein. Außerdem wird die Kostenrechnung vom hohen Materialpreis bei Edelmetallpulvern ungünstig beeinflußt. Kohlenstoff kommt in freier Form als monokristalliner Diamant oder in Schichtebenen kristallisiert als Graphit vor. Der individuelle Charakter von Ruß wird besonders durch die spezifische Oberfläche und die Struktur geprägt. Die spezifische Oberfläche von 80 bis 1.200 m²/g entscheidet über die prozentual einzusetzende Menge des Rußes. Die Struktur wird durch das Zusammenwachsen der Primärteilchen beim Herstellungsprozeß bestimmt und ist mit ausschlaggebend für die notwendige Packungsdichte im Lackfilm.

Da Ruße synthetisch hergestellt werden, können Struktur und spezifische Oberfläche dabei gut gesteuert werden. Aus der großen Auswahl unterschiedlicher Rußtypen müssen die zur Herstellung von Leitlacken bezüglich ihrer Struktur und spezifischer Oberfläche geeigneten Ruße herausgesucht werden. Allein mit Rußen ist jedoch aufgrund der amorphen Struktur keine genügende Packungsdichte zu erzielen, so daß zusätzlich Graphite mit einer mehr schichtförmigen Struktur eingesetzt werden. Durch diese Kombination entstehen Leitlacke, die die geforderten Bedingungen, also eine möglichst direkte Berührung der leitenden Teilchen im ausgehärteten Lackfilm erfüllen.

Generell ist zu sagen, daß mit Carbon-Leitlacken Widerstandswerte von 20 Ohm/cm² erreichbar sind. Durch die Auswahl geeigneter Polymere ist eine leichte Verarbeitung (möglichst durch Einkomponentensysteme), eine gute Haftfestigkeit auf verschiedenen Substraten, eine hohe mechanische und chemische Beständigkeit sowie ein nahezu konstanter Wert des Widerstandes nach Lötprozessen und dem Hot-Air-Leveling möglich. Das System zeichnet sich durch günstige Aushärtebedingungen und niedrige Aushärtetemperaturen sowie kurze Aushärtezeiten aus.

Carbon-Leitlacke werden außer in der Leiterplattentechnik auch in anderen Bereichen der Elektronik eingesetzt. Als konstruktionstechnisches Merkmal werden Carbon-Leitlacke zur Herstellung von Folientastaturen verwendet. Hier werden die gesamte Leiterführung und die Kontaktflächen mit Carbon-Leitlacken auf Polyester oder Polyimid gedruckt. Dabei handelt es sich entweder um zwei getrennte Folien oder um eine Folie, deren zwei Teilstücke zusammengefaltet werden. Zwischen den beiden Folien befindet sich eine isolierende Distanzfolie und die gesamte Folientastatur wird durch eine bedruckte Deckfolie abgedeckt. Im Labor konnte eine Lebensdauer von bis zu 25.000.000 Schaltbetätigungen nachgewiesen werden.

Eine partielle Vergoldung wird auf Leiterplatten hauptsächlich zum Schutz von Kontaktstellen wie Steckerleisten und Tippkontakten gegen mechanische und chemische Einflüsse vorgenommen, um eine hohe Lebensdauer zu erreichen. Bei Tippkontakten kann durch den Einsatz von Carbon-Leitlack auf eine Vergoldung verzichtet werden. Daraus resultiert eine erhebliche Kosteneinsparung, denn folgende Arbeitsschritte sind bei einer partiellen Vergoldung vorzusehen:

• Abdecken der nicht zu vergoldenden

Flächen

• Galvanisches Abscheiden von Nickel

• Galvanisches Abscheiden von Gold

• Strippen des Galvano-Resists (meist in

Lösungsmitteln)

• Abdecken der nicht vergoldeten Flächen mit Lötstopplack

Werden die gleichen Tippkontakte mit Carbon-Leitlack hergestellt, genügt es, die Kontaktflächen mit Carbon-Leitlack zu überdrucken und die restliche Leiterplatte mit Lötstopplack zu schützen. Die Kostenersparnis ergibt sich somit nicht nur aus der Einsparung von Gold, sondern hauptsächlich durch kürzere und einfachere Produktionswege. Ist gewährleistet, daß die als Tippkontakt vorgesehene Metallfläche vollständig mit Carbon-Leitlack abgedeckt ist, können Korrosion und Kontaktierungsprobleme verhindert werden. Das setzt eine relativ hohe Präzision beim Siebdruck voraus. Dieser Produktionsschritt läßt sich weiter vereinfachen, wenn die Kontaktfläche nur mit Carbon-Leitlack auf das Basismaterial gedruckt wird.

Bei der Layout-Gestaltung führt man den Leiter nur bis in die Nähe des Kontaktes in einen Bereich, der später noch mit Lötstopplack abgedeckt wird. Von hier aus wird der Leiter als Carbon-Leitlack-Druck weitergeführt und der Kontakt ebenfalls mit Leitlack gedruckt. Durch dieses Verfahren wird die Produktion noch weiter vereinfacht und sicherer gemacht, da gegenüber dem Abdecken von Kupfer-Kontakten eine nicht so hohe Präzision im Siebdruck geleistet werden muß und die Anschlußflächen unter einer Lötstopplackisolation liegen.

Eine Alternative ist die Verwendung von Carbon-Leitlack als Ätzresist. Hierzu druckt man das gesamte Leiterbild inklusive Kontaktflächen mit Carbon-Leitlack auf kupferkaschiertes Basismaterial. Das nicht bedruckte Kupfer wird abgeätzt und die fertige Schaltung liegt vor. Gold-Steckkontakte auf der Leiterplatte können durch eine Carbonoberfläche ersetzt werden. Die erreichbaren Steckzyklen sind von der Abstimmung der Federkontakte auf die Carbonoberfläche abhängig. Bei Steckverbindungen sind im allgemeinen mehr als zwanzig Steckvorgänge möglich. Durch aufgerasterten Druck von Carbon-Leitlack auf die Rückseite einer einseitigen Leiterplatte kann kostengünstig eine Abschirmfläche hergestellt werden.

Das technisch interessanteste Anwendungsgebiet von Carbon-Leitlack, das zugleich die größte Kosteneinsparung ermöglicht, ist das Herstellen sich kreuzender Leiter. Dieses Verfahren ermöglicht es, eine doppelseitige, durchkontaktierte Leiterplatte mit Goldkontakten durch eine einseitige Leiterplatte mit Carbonkontakten zu ersetzen. Bei ihrer Herstellung entsteht zuerst eine einseitige Kupferleiterplatte. Statt Bohrung und Durchkontaktierung wird an den Verknüpfungspunkten zur nächsten Ebene eine Kontaktierungsfläche vorgesehen. Danach wird die Leiterplatte bis auf die Tippkontakte und die Kontaktierungsflächen mit einem geeigneten Isolationsmedium (Lötstopplack) isoliert. Dabei ist darauf zu achten, daß der Isolationsdruck absolut porenfrei ist und die Flanken der Kupferleiter abgedeckt werden. Je nach Leiterkonfiguration und -Abstand muß der Lötstopplack eventuell zweimal mit einer Zwischentrocknung gedruckt werden. Um eine sichere Flankenabdeckung zu erreichen, wird in der Regel für diese Technik 17,5 µm Basismaterial verwendet, da hierbei der Flankenschutz leichter zu erreichen ist.

Im nächsten Arbeitsgang wird der Carbon-Leitlack zwischen den entsprechenden Kontaktierungsflächen auf den Lötstopplack gedruckt. Gleichzeitig werden auch die Tippkontakte erstellt. Nach einem erneuten Isolationsdruck über die sich kreuzenden Carbonleiter und die Kontaktierungsflächen können im letzten Arbeitsgang die Tippkonkakte mit einem abziehbaren Lötstopplack geschützt werden. Da der Leitwert von Carbon-Leitlack nicht so hoch ist wie von Kupferleitern, ist die Leiterlänge durch den Widerstand begrenzt.

Sich kreuzende Leiter können statt mit Carbon- auch mit Silber-Leitlack realisiert werden. Aufgrund des geringeren elektrischen Widerstands von Silberleitlacken können im Vergleich zum Carbon-Leitlack längere Leiter bei gleichem Gesamtwiderstand gedruckt werden. Bei Silberleitlack stellt sich jedoch das Problem der Migration; bei angelegter Spannung und erhöhter Luftfeuchtigkeit kommt es zu einer Silberwanderung, die zu Kurzschlüssen führen kann. Der Silber-Leitlack wird als kreuzender Leiter über den Isolationslack gedruckt. Im Gegensatz zum vorher beschriebenen Verfahren mit Carbon-Leitlack wird der Silberleiter nicht bis auf die Kontaktierungsfläche geführt, sondern der Leiter endet kurz vor der Kontaktierungsstelle. Jetzt druckt man einen breiteren Carbonleiter über den Silberleiter und über die Kontaktierungsfläche. Dadurch kann der sich kreuzende Leiter aufgrund des geringeren Widerstands des Silberleitlackes länger gewählt werden. Durch die komplette Abdeckung des Silberleiters durch Carbon-Leitlack ist die Migration ausgeschlossen; der höhere Widerstand des Carbon-Leitlackes ist nur bei den Flächen zwischen Silberleitlack und Kontaktierungsfläche zu beachten.

Grundsätzlich ist beim Druck von Carbon-Leitlack-Widerstände die geometrische Anordnung zu beachten. Eine parallele Ausrichtung der Widerstände ist anzustreben, da es sonst zu Impedanzstörungen kommen kann. Der Druck von Carbon-Leitlack-Widerständen steigert die Komponentendichte und erleichtert eine weitere Miniaturisierung der Leiterplatte. Es sind Versuche durchgeführt worden, mit Carbon-Leitlacken Durchkontaktierungen herzustellen und somit den naßchemischen und galvanischen Prozeß zu umgehen. Diese Technik befindet sich allerdings noch nicht im Serieneinsatz. Die bisher vorliegenden Versuchsergebnisse sind vielversprechend.

Die Substitution von Gold an Kontaktflächen ist problemlos und einfach. Um eine Korrosion des Kupfers zu verhindern, muß die Kontaktfläche vollständig mit Carbon-Leitlack abgedeckt werden. Dabei sollte vermieden werden, die Kontaktstellen als Meander auszubilden, da ein Überdrucken dieser Flächen hohe Anforderungen an die Präzision im Siebdruck stellen. Bewährt haben sich halbkreisförmige Tippkontaktstellen. Der Leitlackdruck sollte auf jeden Fall vor dem Lötstopplackdruck erfolgen, so daß die Übergangsstelle (unbedrucktes Kupfer-mit Carbon-Leitlack überdrucktes Kupfer) unter dem Lötstopplack liegt.

Bei Tippkontakten ohne Metallunterlage sind hauptsächlich zwei Punkte zu beachten. Die Übergangsstelle des Kupferleiters zum Carbonleiter muß sicher unter einer Lötstopplackisolation liegen. Und die Carbonfläche muß den Kupferleiter deutlich überlappen, so daß auch bei eintretendem Druckversatz der Kupferleiter sicher kontaktiert wird. Es hat sich in der Praxis bewährt, einen Überlappungsbereich von 1,5 mm zu wählen. Bei der Herstellung sich kreuzender Leiter ist der Leitwert des Carbon-Leitlackes von Bedeutung. Der maximal zulässige Widerstand eines Leiters und der spezifische Widerstand des Carbon-Leitlackes entscheiden über die mögliche Leiterlänge. Reicht der Leitwert des Carbon-Leitlackes für die gewünschte Leiterlänge nicht aus, kann unter dem Carbonleitlack noch einen Silberleitlack gedruckt und damit der Gesamtwiderstand minimiert werden.

Mit Carbon-Leitlacken sind Widerstände von 20 Ohm/cm² möglich, abhängig von der Schichtdicke und der Trocknung. Der Widerstand bezieht sich auf eine Schichtdicke von etwa 30 µm. Da die Schichtdicke beim Überdrucken der isolierten Kupferleiter schwanken kann und Verarbeitungsparameter ebenfalls den Widerstand beeinflussen, sollte man bei der Konstruktion von einem Widerstand ausgehen, der höher als die erwähnten 20 Ohm/cm² liegt. Einige Anwender rechnen aus Sicherheitsgründen mit 100 Ohm/cm². Gemessen wird der Widerstand üblicherweise über die Diagonale einer 1 cm² großen Fläche. Da keine genormte Methode für die Widerstandsmessung von Leitlacken bekannt ist, sollte man den Widerstand parallel an der 1 cm² großen Fläche messen. Daraus ergibt sich für die Konstruktion die Möglichkeit, durch Teilen der Fläche den Widerstand für die vorgesehene Leiterbreite und die Leiterlänge zu berechnen.

Bei Carbon-Leitlacken handelt es sich um hochthixotrope Lacksysteme. Um die erforderderliche Verarbeitungsviskosität zu erzielen, sind diese Lacke vor der Applikation sorgfältig durchzurühren. Bei Lagerung baut sich die Thixotropie dann wieder auf, weshalb es sich empfiehlt, die Lackgebinde nach längeren Arbeitspausen erneut aufzurühren. Grundsätzlich hat sich gezeigt, daß mit 43- bis 57-T-Polyestergeweben oder korrespondierenden Stahlgeweben mit einer Siebspannung von mindestens 18 N die meisten Anwendungen abgedeckt werden können. Bewährt haben sich im allgemeinen Rakel von 75 bis 90 Shore-A Härte mit Winkelschliff, wobei unter einem Rakelwinkel von etwa 75 bis 80° gearbeitet werden sollte.Die Leitfähigkeit eines Carbon-Leitlackes ist immer vom Querschnitt des Leiters abhängig. Aus diesem Grunde wird in den technischen Merkblättern außer dem spezifischen Widerstand des Lackes auch die Schichtdicke angegeben, auf die sich dieser Wert bezieht. In der Regel bezieht sich der spezifische Widerstand auf eine Lackfilmschichtdicke von 25 bis 30 µm. In der Praxis muß nun oft ein Kompromiß zwischen Lackfilmschichtdicke und gewünschter Konturenschärfe gefunden werden, denn je feiner das Siebgewebe gewählt wird, desto besser ist die Konturenschärfe und die Ausbildung von Details; die Lackfilmschichtdicke nimmt jedoch ab.

Außer von den Siebgeweben hängt der Leitwert eines Carbon-Leitlackes auch von dessen Festkörpergehalt ab. Er gibt an, wieviel Gewichtsprozente des Lackes nach dem Trocknen auf der Leiterplatte verbleiben. Dieser Wert ist ausschlaggebend für die spezifischen Eigenschaften des Carbon-Leitlackes und deshalb auch bei den Merkblattangaben berücksichtigt, da sich der angegebene Leitwert auf den getrockneten Lackfilm bezieht.

Der Festkörpergehalt kann vom Anwender verändert werden. Je mehr Verdünnung zugegeben wird, desto geringer wird der Festkörpergehalt und somit auch die Schichtdicke des getrockneten Lackes. Es gibt zwei Gründe, um in der Produktion den Lack zu verdünnen: Wird von einem gröberen auf ein feineres Siebgewebe gewechselt, muß meist der Lack verdünnt werden, um ein gleich gutes Ausdrucken von Details zu ermöglichen. Dabei ist zu bedenken, daß nicht nur durch das feinere Gewebe sondern auch durch die Zugabe von Verdünnung eine dünnere Lackschicht und da ein höherer Widerstand erzielt wird. Es muß also auf jeden Fall der Sollwert mit dem erzielten Widerstand verglichen werden.

Vielfach muß ein Siebdrucklack im Laufe des Produktionsprozesses verdünnt werden, da durch das Verdunsten von Lösungsmitteln auf dem Sieb die Viskosität angestiegen ist. Dieses Verdünnen ist normalerweise unproblematisch, da ja nur die verdunstete Menge Lösungsmittel wieder hinzugegeben wird. Auf keinen Fall sollte der Verdünner nach Gefühl nachdosiert werden, sondern kontrolliert mit einem Viskositätsmeßgerät.

Um höhere Widerstandswerte zu erzielen, können einige Carbon-Leitlacke mit abgestimmten Isolierpasten eingestellt werden. Solche Abmischungen sind in jedem Verhältnis möglich, so daß durch entsprechende Zugabemenge die gewünschte Widerstandserhöhung eingestellt werden kann.

Die meisten Carbon-Leitlacke werden thermisch getrocknet. Da die angegebenen Widerstände auf einen vollständig ausgehärteten Lackfilm bezogen sind, müssen die Trocknungsbedingungen sowohl von der Temperatur als auch von der Trocknungszeit unbedingt eingehalten werden. In vielen Leiterplattenfertigungen werden die Leiterplatten zuerst in Hordenwagen abgelegt und dann gemeinsam eingebrannt. Bei dieser Vorgehensweise ist zu beachten, daß die Temperatur des Trockenofens zunächst stark sinkt und zusätzlich die eingebrachte kalte Masse aufgeheizt werden muß. Da sich die Einbrennzeit auf die Einbrenntemperatur bezieht, muß die Aufheizdauer des Ofens hinzugerechnet werden. Man kann erfahrungsgemäß davon ausgehen, daß der Einbrennofen etwa zehn Minuten nach Einbringen des kalten Hordenwagens die Solltemperatur wieder erreicht hat. Außerdem ist bei der Aushärtung von Carbon-Leitlacken zu beachten, daß diese nicht gemeinsam mit Zweikomponenten-Epoxyd-Harzlacken (Lötstopplacken) in einem Ofen getrocknet werden. Bei dem Aushärteprozeß können aus den Epoxydharzlacken Spaltprodukte austreten, die eine Aushärtung des Carbon-Leitlackes verzögern oder eine Widerstandsveränderung bewirken.

Die meisten Carbon-Leitlacke weisen neben guten mechanischen Eigenschaften auch sehr gute chemische Beständigkeiten auf, die jedoch bei der Überlegung, ob die Carbon-Leitlackflächen oder der Leiter noch mit einer zusätzlichen Lackschicht geschützt werden sollen, allein nicht ausschlaggebend sind. Selbst wenn die Chemikalien den Leitlackfilm nicht angreifen oder zerstören, können doch Stoffe eindiffundieren und den Widerstand erhöhen.

Aus diesem Grunde sollte geprüft werden, ob die Carbon-Leitlacke mit einem Lötstopplack vor Umwelteinflüssen oder mit einem abziehbaren Lötstopplack vor den Fluxmitteln beim Lötprozeß geschützt werden müssen. Diese Schutzlacke müssen jedoch besonders für den Einsatz auf Carbon-Leitlacke geeignet sein, damit nicht durch die Wechselwirkung zwischen Schutzlack und Carbon-Leitlack eine Widerstandserhöhung stattfindet. Als Lötstopplacke eignen sich spezielle UV- oder UV-sensible Zwei-Komponenten-Lacke.

Wird eine einfache Leiterplatte in Print-and-etch-Technologie mit Lötstopplackdruck als Faktor 1 gesetzt, erhöhen sich die Kosten durch einen zusätzlichen Carbon-Leitlackdruck um den Faktor 1,2. Um einen effektiven Kostenvergleich anstellen zu können, muß jedoch beachtet werden, welche Herstellkosten anfallen würden, wenn die Leiterplatte vergoldete Tippkontakte aufweisen oder als doppelseitige, durchkontaktierte Leiterplatte hergestellt werden müßte. Hier kann man den Kostenvergleich wie folgt darstellen: Leiterplatte mit selektiver Vergoldung – Faktor 2,6, Leiterplatte mit Carbontippkontakten – Faktor 1,2, Doppelseitige, durchkontaktierte Leiterplatte mit selektiver Vergoldung – Faktor 3,2, einseitige Leiterplatte mit kreuzenden Leitern und Carbontippkontakten – Faktor 1,4. Es zeigt sich anhand dieses Kostenvergleiches, daß die Herstellkosten durch den Einsatz von Carbon-Leitlacken um mehr als die Hälfte reduziert werden können.