印刷电路板中通孔的暂时密封装置和方法

专利名称:印刷电路板中通孔的暂时密封装置和方法
本发明涉及印刷电路板的制作，具体地说，涉及加工过程中暂时密封印刷电路板片中通孔所用的装置和方法。
在制造印刷电路板时，采用光致抗蚀剂将电路的轮廓图转印到电路板的铜表面上。名称光致抗蚀剂限定了这种材料的双重功能的性质。首先它是一种感光聚合物，通过在紫外线辐射下曝光可使其化学性质改变。这种曝光是通过画出正被限定的电路的轮廓的掩模而选择性地进行的。在使感光聚合物显影后，双重功能才开始起作用，将其中不要的软性区域从铜表面上洗掉。剩下来的只是由曝光掩模画出轮廓的这些区域的由硬化的聚合物组成的保护复盖层。在一种应用中，这种保护复盖层阻碍了腐蚀处理，使得只有剩下的未受保护的铜被腐蚀掉。当这种抗蚀剂最终去掉时，下面受保护的铜电路线条就成为电路板的导电体。
发展印刷电路板技术的一种实际度量标准是铜电路线条的宽度和它们之间的间距。当元件密度和每平方英寸的线路增加时，电路线条的宽度和它们之间的间距必须减小。该工艺目前的状况是10密耳线条配10密耳间距。这种几何要素最终是由在工业可接受的容限内容许可靠地制作电路板的加工技术所决定的。在通常的生产中，10密耳宽的电路线条可被控制在±1密耳的容限内。如果这个线条与也只可变化1密耳的毗邻线条间隔10密耳，线条之间出现断线和短路的机会是很小的。可是，如果电路布置的几何要素减少到1密耳线条和间距，以前的容限就不可接受了，而必须提高加工技术，以达到和保持更严格的容限。
用来连接电路板相反两面的电路的最可靠和有效的方法是采用金属化孔。在电路图形被蚀刻在电路板的铜表面上之前，首先在两面之间设置必要的互连点，在电路板的这个位置上钻成通孔。在复杂的电路中的，可能有数百个孔，每个孔有自己的尺寸规格和容限，因而使得每个钻孔的精度，质量和清洁度都有严格的要求。通常，在已经确定了电路图形后，沿着每个孔的孔壁复盖铜导体，使一面上的铜电路与另一面上铜电路相连。为了提供良好镀层连接，这种孔必须清洁而没有任何光致抗蚀剂或其它污染物。由于每个孔的孔径因铜层的厚度而减小，所以这种连接镀层必须几乎是完美无缺的。通孔的剩余部分必须大到足以使电路板的元件的引线可插入通孔内，但通孔不可太大，以至最终连接用的焊剂不能充填满。
通常采用两种方法将光致抗蚀剂加到印刷电路板的铜表面上。一种方法是涂覆，另一种方法是层压。在涂覆时，一种含有溶于溶剂的感光聚合物的流体加在均匀薄层的铜表面上。溶剂被蒸发掉，而在铜表面上沉积一层均匀的光致抗蚀膜。在层压成型时，事先在载体网膜上涂覆而干燥的光致抗蚀膜利用加热和加压而被粘合到铜表面上，其后去掉载体网膜。
主要由于两个原因，现今生产的大多数电路板采用干膜法。首先没有引起安全，工作人员，环境或废弃等处理问题的溶剂。其次，没有液态光致抗蚀剂进入通孔内，污染这些孔及损害镀通连接的整体性。干膜胜过涂覆的这两种优点是很显著的，但却是以一定代价得到的。由于干膜以每平方英尺计的价格约为涂覆的光致抗蚀剂的3倍，所以一种代价是经济性的;更昂贵得多的另一个代价是技术性的。干膜一直以来不能可靠地制成1密耳以下的厚度。为了减小线条布置的几何要素，使得电路密度可被显著增加，必须将光致抗蚀剂的厚度减少到约为0.1至0.2密耳。一种可靠的粘附良好的光致抗蚀剂只有采用液体涂覆工艺才能适用于这种厚度范围。处理与液体光致抗蚀剂有关的溶剂已经获得解决，可是在能可靠地采用任何液体涂覆工艺以前，必须暂时密封电路板片的通孔。
在印刷电路板涂覆光致抗蚀剂之前暂时密封印刷电路板片的通孔时，有三个主要的问题有待解决。第一，密封材料必须防止任何大量的光致抗蚀剂进入通孔内。第二，密封材料必须是化学性质不活泼，机械特性坚实，以及粘附性强，足以在以后的处理工序过程中保持其密封作用。最后也是最重要的是，密封剂材料必须从每个通孔内完全去掉，而不在通孔壁上留下任何污染或残渣。
各种用来暂时密封通孔的方法已有提出。美国专利No.2，965，952中所述的早期的工艺涉及到用例如朊物质的惰性材料来充填这些孔。正如该项专利中所指出，金属化孔的充填和此后的清理是很费时的，而为了保证充填材料只存在于通孔内而不在板的表面，还需要镀覆处理。美国专利No.2，965，952试图采用移画印花法所用的图案作为对于腐蚀溶解作用的保护层来解决填充和清理问题。移画印花法所用的图案包括将多个延伸于印刷电路板孔上的涂满粘合剂的条带。这道工序需要精确地将保护条带定位，也是很费时的。美国专利No.3，725，215描述了印刷电路板上小孔的充填掩模。这个过程采用了一种光致硬化材料，将这种材料放入有底层的孔内，防止材料流失。光致硬化材料充满这些孔后，暴露在辐射能之中，使它硬化。这个过程还是很费时，而且要注意不能使光致硬化物质扩展到周围的通孔上。
因此本发明总的目的是提供用来暂时密封印刷电路板片上通孔的经过改进的方法和装置。
本发明的一个具体目的是提供一种采用热致变形片材的装置，这种片材在加热和加压下可以变形进入印刷电路板的孔内，在其内形成保护性密封孔塞，而在完成电路板的普通加工后可以方便地从电路板上去除。
本发明的另一个目的是提供一种物有所值的装置和方法，用以暂时密封印刷电路板的通孔，其内的密封材料可以多次再使用。
本发明的一个特性是这种装置是由市场上容易买到的材料构成的。
本发明采用在加热和压力下变形的热致变形片材，用以形成印刷电路板上每个孔的保护性密封孔塞而解决了上述三种通孔充填的问题。
热致变形片材的变形是用本发明的装置而实现的。该装置包括两个主要组件发热体组件和真空台面的表面组件。发热体组件采用一种温度受控，被隔热的发热体，该发热体有一个环围的，活动真空环。活动真空环上装配有柔韧的、传热真空表层，真空表层与可动真空台面相配合，形成一真空室，活动的真空台面有一扁平多孔板，多孔平板的顶面与真空台面的表面平行。由多孔防粘层，印刷电路板，热致变形片材和导热复盖层组成的夹层结构被定位在真空台面的多孔板上。其后，一起移动真空台面和夹层结构，使得真空台面与柔韧、导热真空表层形成密封关系。于是将真空引入刚才形成的真空室，通使柔韧导热真空表层紧靠夹层结构，压缩在印刷电路板和多孔平板之间的多孔防粘层。这时，柔韧的导热真空表层，夹层结构和真空台面被移入一个迫使柔韧的导热真空表层与发热体有热传导接触的位置。发热体发出的热量使热致变形片材软化，使得它变形进入印刷电路板的通孔内，在其内形成保护性密封孔塞。冷却后，真空台面朝相反方向移动，以允许移去多层结构。然后将多孔防粘层和复盖层从与印刷电路板和其刚才变形的，保护性热致变形片材分离开来。就可以完成印刷电路板的普通处理，此后，将已经变形的热致变形材料与经过处理的印刷电路板分离，废弃或需要时再用。
本发明的上述目的和特性，以及其它目的，从为说明目的选出而示于附图中的本发明的最佳实施例的详细描述就能清楚地了解，其中图1A至图1E以概括的形式说明本发明的暂时性密封印刷电路板片上通孔的方法所采用的工序;
图2简略地用局部剖视表示本发明的装置，该装置包括一发热体组件和一真空台面组件，一夹层结构包括定位于可动真空台面的多孔平板上的一多孔防粘层，一其上有孔的印刷电路板，一热致变形片材和一导热复盖层;
图3表示图2的相同部件，真空台面被移至与柔韧的导热真空表层相接触，真空表层与真空台面共同形成印刷电路板夹层结构被定位在其内的真空室;
图4表示图2的相同部件，真空台面被移入迫使柔韧的导热真空表层与发热体有热传导接触的位置，以使发热体发出的热量可以软化热致变形片材，结果，它变形进入印刷电路板的通孔内，在其内形成保护性的密封孔塞;以及，图5表示真空台面退离发热体，以容许移去印刷电路板夹层结构。
现在转到这些附图，具体地说，是转到图1A至图1E，图中以概括的形式表示了在实践本发明的方法时所采用的工序。具有多个通孔12的双铜面层压片印刷电路板10被放置在具有一多孔平板16的真空台面14上。由印刷电路板10看，热致变形片料18是与电路板上表面相接触而放置的。加热热致变形片材，以及通过多孔平板16进行真空抽运，用以在热和真空力的作用下，使片材变形向下进入通孔12内，如图1B中所示，在其内形成保护性的密封孔塞20。
需要时，如图1C中所示，可用一种比较硬挺的粘合剂粘结的背衬支撑22贴附在变形后的片材18上。将经保护性密封的印刷电路板片翻过来，如图1D中所示露出印刷电路板片原来与多孔平板16相接触的一面。印刷电路板的这一面涂有普通的光致抗蚀剂24。该光致抗蚀剂24经曝光和显影后，将已变形片材20及其支撑背衬22从印刷电路板上移走，电路板此时就含有经过显影的光致抗蚀剂26。
现在转到图2，图中简略地用局部剖视表示本发明的用来实践本发明方法的装置。通孔密封装置包括两个主要组件一个用总参考编号28表示的发热体组件和一个用总参考编号30表示的真空台面组件。
发热体组件28包括一温度受控的发热体32，发热体32用绝热体34隔热。隔热的发热体32为活动真空环36所包围，真空环36具有固定在其上的用例如特重型铝箔的柔韧导热真空表层38，复盖发热体32。选作真空表层38的材料最好应该是比较廉价且容易替换的。铝箔满足了这些准则。
真空环36被安装在环形气缸40上，气缸40将真空环和复盖的柔韧导热真空表层38移到如图2中所示的伸出位置。当来自用总参考编号40表示的调节压力源的X磅/平方英寸预定压强供给环形气缸时，真空环就到达伸出位置。
真空台面组件30位于发热体组件28的正下方，且可相对于发热体组件28是活动的。真空台面组件包括一真空台面42，在真空台面42上安装有一多孔平板44，使得多孔板的顶部表面与真空台面的表面平行，一个密封垫圈46围绕着多孔板，且被定位在发热体组件的真空环36的正下方。如图2中所示，真空台面42沿垂直方向的移动是由主气缸48控制的，该主气缸48则经过阀门A和B选择性地与用总参考编号50表示的低压源和用总参考编号52表示的高压源相连通。
用总参考编号54表示的，包括真空泵56和真空阀58的真空源与真空台面的真空室60相连通。真空泵能够使真空室60内保持至少25英寸汞柱真空度。
用总参考编号62表示的夹层结构包括多孔防粘层64，其上有通孔68的印刷电路板片66，热致变形片材70和导热复盖层72，夹层结构被定位在真空台面的多孔平板上。
图2表示真空台面的装载位置，阀A处在适当位置，以排空主气缸48的压力，从而向离开发热体组件28的方向降低真空台面。
图3至图5表示夹层结构62已被装载之后的操作顺序。参照图3，阀B被定位成通过阀A连通低压源(小于X磅/平方英寸)，阀A被拧转成将低压传送到主气缸48。如图3中所见到的，施加到主气缸48上的低压向上提升真空台面，直至密封垫圈46接触复盖真空环36的柔韧导热真空表层38止。略为继续向上移动，如图3中所示压缩密封垫圈从而在真空表层38和真空台面之间造成真空密封。真空表层38和真空台面42共同形成真空室74。
调整低压空气(小于X磅/平方英寸)，使得真空表层38压缩密封垫圈，但不能克服施加于环形气缸40的气压(X磅/平方英寸)。
当真空阀58从如图2所示的通气位置转到如图3所示的真空位置时，真空泵56抽去柔韧表层38下方的空气，直至达到如真空计61上指示的25英寸汞柱真空度。真空使柔韧真空表层38与多层结构62的四周相贴合，从而迫使夹层结构的片层组分紧贴真空台面的多孔平板44。
当已经达到足够的真空度时，如图4中所示，拧转阀B，使得高压气源52(大于X磅/平方英寸)与主气缸48相接通。高压空气使主气缸克服环形气缸40的压力，结果如图4中所见到的，迫使环36上升，使发热体32强制性地接触柔韧导热真空表层38。发热体发出的热量，经过柔韧导热真空表层和导热复盖层72而传到热致变形材料70。将柔韧真空表层和导热复盖层推靠在软化的热致变形材料上的真空和气缸力，迫使软化的热致变形材料向下进入印刷电路板片的通孔68内，且碰到防粘层64，从而在印刷电路板的各个通孔内形成保护性密封孔塞76。
经过足够的时间后，阀B被转向低压气源50(小于X磅/平方英寸)，使低压气源与主气缸相接通。这就如图3中所示，容许环形气缸40内的压力迫使主气缸下降，使柔韧导热真空表层38向离开发热体32的方向移动，而使二者不再接触。当真空表层下方的多层结构充分冷却后，将真空阀58转回到如图5中所示的通气位置，以及将阀A转到如图5中所示的排气位置，排出主气缸的空气。在真空阀处于通气位置和阀A处于排气位置的同时，真空台面下降，回到可移去经过密封的夹层结构的装载位置。然后重复密封另一块复盖铜的电路板的过程。
如果由于印刷电路板片的非平面性，热致变形片材的厚度变化等的原因，造成夹层结构62具有不均匀的厚度的结果，那么发热体与柔韧导热真空表层之间的接触(以及因而夹层结构)也会不均匀。这种不均匀接触对于通过柔韧导热真空表层传到夹层结构的热量可能产生相对的“热”点和“冷”点。在由环36，真空表层38，气缸40和发热体32形成的内腔78的其中至少一部分内配置例如油的液态传热媒质就可以消除这种热量变化。
通过有关本发明最佳实施例的详细描述，本领域的技术人员显然能从中作出各种改进，只要不脱离如所附权利要求
书中描述的本发明的范围。
权利要求
1.一种热-真空装置，其特征在于包括A.一个发热体组件包括(1)一个温度受控的，被隔热的发热体装置；(2)一个围绕所述发热体装置的真空环装置；(3)一个固定于所述真空环装置上的柔韧导热真空表层装置；(4)与所述真空环相连接的，用来使所述真空环装置和所述柔韧导热真空表层装置在一伸出位置和一退回位置之间活动的装置，所述伸出位置使该柔韧导热真空表层相对于所述发热体装置以间隔的关系而定位；B.一个真空台面组件包括(1)真空台面装置；(2)一个装在所述真空台面装置上的多孔板装置，使得该多孔板装置的顶面与该真空台面装置的表面相平行；(3)位于所述真空台面装置上，用以与所述发热体组件的柔韧导热真空表层装置形成真空封闭关系的真空密封装置；(4)与所述真空台面装置相连接，用以从一退回位置到一中间真空密封位置，然后到一接触位置移动所述真空台面装置，而反之亦然的装置，在所述中间真空密封位置，该真空密封装置和该发热体组件的该柔韧导热真空表层之间形成所述密封关系，在所述接触位置上，迫使所述柔韧导热真空表层与所述发热体装置作导热接触；C.用以选择性地控制所述真空环的移动装置和所述真空台面的移动装置的活动的控制装置。D.用以选择性地将真空加到所述真空台面装置和解除真空的装置。
2.一种热-真空装置，其特征在于包括A.一个发热体组件包括(1)一个温度受控的，被隔热的发热体装置;(2)一个围绕所述发热体装置的真空环装置;(3)一个固定于所述真空环装置上的柔韧性导热真空表层装置;(4)与所述真空环相连接的，用来使所述真空环装置和所述柔韧导热真空表层装置在一伸出位置和一退回位置之间活动的流体驱动的缸装置，向所述伸出位置的移动是响应于将在压强X下的流体加到所述流体驱动的缸装置，所述伸出位置使该柔韧性导热真空表层相对于所述发热体装置以间隔关系而定位;B.一个真空台面组件包括(1)真空台面装置;(2)一个装在所述真空台面装置上的多孔平板装置，使得该多孔板装置的顶面与该真空台面装置的表面相平行;(3)位于所述真空台面装置上，用以与所述发热体组件的挠性导热真空表层装置形成真空密封关系的真空密封装置;(4)与所述真空台面装置相连接，用以从一退回位置到一中间真空密封位置，然后到一接触位置移动所述真空台面装置，而反之亦然的流体驱动主缸装置，所述流体驱动的主缸装置响应将小于X压强下的流体加到其上而使所述真空台面装置移到所述中间密封位置上，在该位置上，该真空密封装置和该发热体组件的柔韧导热真空表层之间形成所述密封关系，以及所述流体驱动的主缸装置响应将大于X压强下的流体加到其上而使所述真空台面装置从所述中间密封位置移到所述接触位置，在该位置上，迫使所述柔韧导热真空表层与所述发热体装置作导热接触;C.用来将压强X下的流体压力加到所述发热体组件上的流体驱动的缸装置上的流体压力源装置;D.用来顺序地将小于X的压强，然后将大于X压强下的流体压力加到所述真空台面组件的流体驱动主缸装置的流体压力源装置，所述流体压力源装置包括用来消除加到所述真空台面组件的流体驱动主缸装置上的流体压力的装置;以及E.用来选择性地将真空加到所述真空台面装置上和消除真空的装置。
3.根据权利要求
1或2的装置，其特征在于所述多孔板装置是不导热的。
4.根据权利要求
3的装置，其特征在于所述不导热多孔板由一多孔陶瓷板所组成。
5.根据权利要求
1或2的装置，其特征在于所述真空密封装置由一装在所述真空台面上的可压缩密封垫圈所组成。
6.根据权利要求
1或2的装置，其特征在于所述真空密封装置由一安装在所述真空台面上的可压缩密封垫圈所组成，所述密封垫圈在所述中间密封位置被压缩，以在该真空台面和该发热体组件的该柔韧导热真空表层之间形成真空密封。
7.根据权利要求
1或2的装置，其特征在于该发热体装置，真空环装置和所述柔韧导热真空表层装置限定一内腔，所述内腔至少局部地充有一种液态传热媒质。
8.一种用于暂时性密封印刷电路板片上通孔的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤A.形成一夹层结构，该夹层结构包括(ⅰ)一个具有一熔点的第一组分，所述第一组分包括一柔韧性导热片材;(ⅱ)一个具有一低于所述第一组分的熔点的熔点的第二组分，所述第二组分包括一层热致变形材料;(ⅲ)一个其上有通孔的印刷电路板片，所述印刷电路板配置以该印刷电路的一面相接触且至少覆盖某些所述通孔的由热致变形材料组成的第二组分片材;以及，(ⅳ)一个可压缩多孔防粘层配置成与该印刷电路板叠层的另一面相接触;B.将所述夹层结构放置在一台热-真空装置上，该装置包括(1)一个发热体组件包括(a)一个温度受控，隔热的发热体装置;(b)一个围绕所述发热体装置的真空环装置;(c)一个固定于所述真空环装置上的柔韧导热真空表层装置;(d)与所述真空环相连接的，用来使所述真空环装置和所述柔韧导热真空表层装置在一伸出位置和一退回位置之间活动的流体驱动的缸装置，向所述伸出位置的移动是响应于将在压强X下的流体加到所述流体驱动的缸装置而进行的，所述伸出位置使该柔韧导热真空表层相对于所述发热体装置以间隔关系而定位;(2)一个真空台面组件包括(a)真空台面装置;(b)一个装在所述真空台面装置上的多孔平板装置，使得该多孔板装置的顶面与该真空台面装置的表面相平行;(c)位于所述真空台面装置上，用以与所述发热体组件的柔韧性导热真空表层装置形成真空密封关系的真空密封装置;(d)与所述真空台面装置相连接，用以将所述真空台面装置从一退回位置移到一中间真空密封位置，然后移到一接触位置，而反之亦然的流体驱动主缸装置，所述流体驱动的主缸装置响应将小于X压强下的流体加到其上而使所述真空台面装置移到所述中间密封位置上，在该位置上，该真空密封装置和该发热体组件的柔韧导热真空表层之间形成所述密封关系，以及所述流体驱动的主缸装置响应将大于X压强下的流体加到其上而使所述真空台面装置从所述中间密封位置移到所述接触位置，在该位置上，迫使所述柔韧导热真空表层与所述发热体装置作热接触;(3)用来将压强X下的流体压力加到所述发热体组件的流体驱动主气缸装置上的流体压力源装置;(4)用来顺序地将小于X的压强，然后大于X压强下的流体压力加到所述真空台面组件的流体驱动主缸装置的流体压力源装置，所述流体压力源装置包括用来消除加到所述真空台面组件的流体驱动主缸装置上的流体压力的装置;以及(5)用来选择性地将真空加到所述真空台面装置上和消除真空的装置;C.将小于X压强下的流体压力加到所述发热体组件的流体驱动缸装置;D.将小于X压强下的流体压力加到该真空台面组件的流体驱动主缸装置上，使得该真空密封装置与该发热体组件的该柔韧导热真空表层装置形成密封关系，由此形成一个所述多层结构被定位在其中的真空腔;E.将真空引入所述真空腔，使得该柔韧导热真空表层贴合该夹层结构的四周，从而迫使该夹层结构的分层元件紧靠该多孔平板装置;F.将大于X压强下的流体压力加到该真空台面组件的流体驱动主缸装置上，从而使该发热体装置强制性地接触该柔韧性导热真空表层;G.将热量从所述发热体装置传到该热变形面料，直至该片材变形并填满该印刷电路板片的通孔内;H.将加到该真空台面组件主缸装置的流体压力减低至小于X的压强，使得该真空台面装置返回到所述中间位置，以容许冷却该多层结构;I.消除所述真空腔内的真空，去除加到所述真空台面组件的流体驱动主缸装置的流体压力，以容许该真空台面装置返回到其收缩位置上;以及，J.从该真空台面上移走该多层结构。
专利摘要
公开用于暂时性密封印刷电路板上通孔的装置及方法。该装置包括两个主要组件一发热体组件和一真空台面组件。发热体具有围绕的活动真空环的一个温度受控的被隔热发热体。一柔韧导热真空表层被装在活动真空环上，且配合活动真空台面形成一真空室，真空台面有一多孔平板，其顶面平行于真空台面的表面。该装被设计成从包括多孔防粘层，印刷电路板，热致变形材料和导热覆盖层的夹层结构形成印刷电路板通孔的暂时性密封孔塞。
文档编号H05K3/00GK87101179SQ87101179
公开日1988年6月29日 申请日期1987年11月25日
发明者爱德华·J·楚因斯基 申请人:马尔蒂特公司