DD159932A1 - ADDITIVE PROCESS FOR THE PRODUCTION OF PCB - Google Patents

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DD159932A1 DD22852281A DD22852281A DD159932A1 DD 159932 A1 DD159932 A1 DD 159932A1 DD 22852281 A DD22852281 A DD 22852281A DD 22852281 A DD22852281 A DD 22852281A DD 159932 A1 DD159932 A1 DD 159932A1
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germs
printed circuit
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circuit boards
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DD22852281A
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Inventor
Renate Gesemann
Udo Bechtloff
Lothar Gierth
Konrad Gisske
Hans-Juergen Gesemann
Falk Richter
Guenter Mossig
Hansgeorg Hofmann
Original Assignee
Renate Gesemann
Udo Bechtloff
Lothar Gierth
Konrad Gisske
Gesemann Hans Juergen
Falk Richter
Guenter Mossig
Hansgeorg Hofmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemisch additiv strukturierten Abscheidung von Leiterzügen auf temperaturbeständigen Plasten und kann für die Herstellung von Leiterplatten, besonders Mikroleiterplatten, für die Herstellung von Bauelementen un d die dekorative Gestaltung von Plastoberflächen verwendet werden. Entsprechend der Erfindung werden die auf der vorbehandelten Plastoberfläche in einem Emulgator aufgebrachten Keime mit Licht erzeugt, durch eine Temperaturbehandlung haftfest fixiert, in einer Lösung entaktiviert und die Trägersubstanz vernichtet. Die Keimstrukturen werden zur Abscheidung von Metallschichten aus chemischen Bädern benutzt. Die Mikrostrukturen besitzen je nach gewünschter Schichtdicke Genauigkeiten von (Formel).The invention relates to a method for the chemically additively structured deposition of conductor tracks on temperature-resistant plastics and can be used for the production of printed circuit boards, especially micro printed circuit boards, for the manufacture of components and the decorative design of plastic surfaces. According to the invention, the germs applied to the pretreated plastic surface in an emulsifier are produced with light, adhesively fixed by a temperature treatment, deactivated in a solution and the carrier substance destroyed. The seed structures are used to deposit metal layers from chemical baths. Depending on the desired layer thickness, the microstructures have accuracies of (formula).

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Additiv-Verfahren.zur Herstellung von LeiterplattenAdditive-Verfahren.für the production of printed circuit boards

Anwendungsgebiet der Erfindung ' ' ' Field of application of the invention '''

Das Verfahren gestattet, chemisch additiv strukturiert Leiterzüge auf temperaturbeständige Polymere haftfest abzuscheiden.The method allows chemically additively structured conductor tracks to be deposited firmly on temperature-resistant polymers.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Die zur Zeit gebräuchlichsten Verfahren"zur additiven Herstellung von Leiterplatten sind folgende:The currently most common methods for the additive manufacture of printed circuit boards are the following:

PD-Verfahren PDR-Verfahren Photocircuit-VerfahrenPD method PDR method Photocircuit method

Addigathe Verfahren ·Addigathe method ·

CC 4 - Verfahren Lasersensibilisierung Photolithographie DruckenCC 4 - Method Laser sensitization Photolithography Print

Diese o.g. Verfahren arbeiten im wesentlichen nach • drei.Prinzipien: .This o.g. Procedures work essentially according to the following three principles:.

1· Verwendung eines lichtempfindlichen Substrates 2« Selektive Aktivierung der Substratoberfläche1 · Use of a Photosensitive Substrate 2 Selective activation of the substrate surface

3. Aufbringen einer lichtempfindlichen Schicht auf das Substrat3. Apply a photosensitive layer to the substrate

Unter Verwendung eines lichtempfindlichen Substrates arbeitet z.B. das FDR-Verfahren,Using a photosensitive substrate, e.g. the FDR method,

Dabei werden bereits bei. der Herstellung katalytisch wirksame Substanzen in das Substrat eingearbeitet, die •entweder durch Bestrahlung bzwo durch selektives Ätzen der Substratoberfläche freigesetzt werden. Hierfür eignen sich TiOpj Pd u.a. Nachteilig wirkt sich die Tatsache aus, daß die Auswahl der infrage kommenden Basis-'materialien stark eingeschränkt ist und spezielle aufwendige Herstellungsverfahren erfordert»Already at. the preparation of catalytically active substances incorporated into the substrate, which • are released either by irradiation or o by selective etching of the substrate surface. One disadvantage of this is the fact that the selection of the basic materials in question is severely restricted and requires special elaborate production methods.

Zur selektiven Aktivierung sind auch die herkömmlichen Schichtaufbringungsverfahren wie Drucken, Bedampfen und Sputtern'zu zählen, die einen hohen Materialeinsatz und zusätzliche Ausrüstungen benötigen. Sie stellen keine Additivverfahren im Sinne der Erfindung dar<> Aktivierte Oberflächenbereiche können andererseits durch Einwirkung "eines Laserstrahls, aber auch unter Einwirkung von Coronaentladungen entstehen. Für diese Verfahren sind hohe Anlagenkosten erforderlich.Selective activation also includes conventional layer deposition techniques such as printing, evaporation and sputtering, which require high material usage and equipment. On the other hand, activated surface areas can be formed by the action of a laser beam, but also by the action of corona discharges.

Im Falle der Laseraktivierung bzw„ der Coronaentladung (DOS 2300 48.1, bzw. DOS 2815 696.) erfolgt in der lichtempfindlichen Schicht durch Einwirkung von Strahlung bestimmter Wellenlänge entweder die Umwandlung von lichtempfindlichen Substanzen zu katalytisch wirksamen Keimen oder in der Folge der Entwicklung die Beseitigung von für die. Struktur nicht, benötigten Keimen.In the case of laser activation or "corona discharge (DOS 2300 48.1, or DOS 2815 696.) takes place in the photosensitive layer by the action of radiation of a certain wavelength either the conversion of photosensitive substances to catalytically active nuclei or as a result of the development of the elimination of for the. Structure not, needed germs.

In beiden Fällen verbleibt der organische Träger auf der Substratoberfläche, in dem die Keime eingelagert sind. Daraus resultiert eine gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren geringere Haftfestigkeit und verminderte thermische Beständigkeit z.B. beim Löten. Zu nach diesem Prinzip arbeitenden Verfahren zählt auch das Aufbringen einer lichtempfindlichen Schicht ausIn both cases, the organic carrier remains on the substrate surface in which the germs are incorporated. This results in a lower adhesive strength compared with the method according to the invention and reduced thermal resistance, e.g. when soldering. To operate on this principle, the method also includes the application of a photosensitive layer

. wäßriger Lösung. Die dabei eingesetzten Metallsalze haften auf der Substratoberfläche ohne Wirkung eines organischen T-rägers. Zur Erzeugung der für die nachfolgende Metallabscheidung katalytisch wirksamen Keime ist eine hohe Leistung der Strahlungsquelle mit einem, aqueous solution. The metal salts used adhere to the substrate surface without effect of an organic T-carrier. To generate the catalytically effective for the subsequent metal deposition nuclei is a high power of the radiation source with a

Emissionsmaximum entsprechend der Aktivierungsenergie des Metallsalzes erforderlich. Die erreichbaren Haftfestigkeiten sind"gering.  Emission maximum required according to the activation energy of the metal salt. The achievable adhesive strengths are "low.

Es ist Aufgabe· der Erfindung, ein verbessertes Verfahren anzubieten, welches die wesentlichen Nachteile der oben beschriebenen Verfahren nicht aufweist.It is an object of the invention to provide an improved process which does not have the essential disadvantages of the processes described above.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein rationelles materialsparendes Verfahren aus chemischen Lösungen zum strukturierten Metallisieren von temperaturbeanspruchbaren hochpolymeren Leiterplattenmaterialien zu schaffen, das die Nachteile der genannten Verfahren vermeidet und mit hoher geometrischer Genauigkeit haftfeste ^etallschichten verschiedener Zusammensetzung aufzubringen gestattet, die gut lötbar und bondbar sind'.The invention has the object to provide a rational material-saving method of chemical solutions for the structured metallization of temperature-demanding high polymer printed circuit board materials, which avoids the disadvantages of said methods and allows high geometric accuracy adherent ^ etallschichten different composition applied, which are good solderable and bondable ' ,

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die vorliegende Erfindung gestattet, chemisch additiv strukturiert Metallschichten auf temperaturstabile Plastmaterialien abzuscheiden, * · The present invention allows chemically additively structured metal layers to be deposited on temperature-stable plastic materials,

Die im Stand der Technik dargelegten Mangel lassen sich nur vermeiden, wennThe deficiency set out in the prior art can only be avoided if

- die Leiterzüge strukturierte .additiv mit hoher geometrischer Genauigkeit, aufgebracht werden können,- The conductor lines structured .additiv with high geometric accuracy, can be applied,

- Reste der aufgebrachten Emulsion durch eine Temperaturbehandlung beseitigt werden können,Residues of the applied emulsion can be removed by a heat treatment,

- das Verfahren die Abscheidung von Schichtfolgen in einem durchgängigen Prozeß gestattet,the method allows the deposition of layer sequences in a continuous process,

- die aufgebrachten Leiterzüge ohne zusätzlichen Schutz lötbar bleiben, - the applied conductor tracks remain solderable without additional protection,

- Innenmetallisierungen von Kontaktstellen bei Mehrebenenaiiordnungen mit gleicher Schichtdicke möglich sind.- Internal metallizations of contact points in multi-level orders with the same layer thickness are possible.

Erfindungsgemäß wird das dadurch-gelöst, daß Metallkeime auf eine spezifisch geätzte polyme're · Oberfläche durch ein Totoverfahren strukturiert aufgebracht, durch einen Temperprozeß fixiert' und nachfolgend für die Abscheidung der Leiterschichtfolgen katalytisch für die Reduktion von Metallionen aus chemischen Bädern verwendet v/erden» Zunächst muß die Oberfläche spezifisch entsprechend dem zu beschichtenden Polymer, gebeizt werden. Dafür eignen sich Fluß-Chromsäure-.Gemische, Mischungen aus Chrom- und Schwefelsäure, NaOH- und KOH-Losungen.According to the invention, this is achieved in that metal nuclei are applied to a specifically etched polymerized surface by a toto process, fixed by an annealing process and subsequently used for the deposition of the conductor layer sequences catalytically for the reduction of metal ions from chemical baths. First, the surface must be pickled specifically according to the polymer to be coated. Suitable for this purpose are flux-chromic acid mixtures, mixtures of chromic and sulfuric acid, NaOH and KOH solutions.

Die so vorbehandelte Oberfläche wird ohne Verzug mit einer,Emulsion bedeckt, die Verbindungen enthält, die bei Belichtung z.B. mit UV-Licht Metallkeime oder Elektronen zur Reduktion von Me.talliohen erzeugen. Wenn die'Belichtung durch eine Fotoschablone erfolgt, entsteht ein .den-gewünschten Strukturen entsprechendes Bild, dessen Bildelemente Keime für die nachfolgende chemische Metallisierung sind. An den nichtbeschichtetenThe thus pretreated surface is covered without delay with an emulsion containing compounds which upon exposure to e.g. generate metal nuclei or electrons with UV light to reduce Me.talliohen. When the exposure takes place through a photo stencil, an image corresponding to the desired structure is formed, the image elements of which are nuclei for the subsequent chemical metallization. At the uncoated

22 8 522 8 5

Steilen der Oberfläche müssen die Verbindungen durch ί chemische Reaktionen entaktiviert v/erden, um eine Reduktion zu Metallkeimen in den nachfolgenden Bädern auszuschließen.. So eignen sich z.B. unlösliche stabile Metallsulfide oder -chloride für die Entaktivierung.At the surface, the compounds must be deactivated by ί chemical reactions to preclude reduction to metal nuclei in the subsequent baths. insoluble stable metal sulfides or chlorides for deactivation.

Durch Ausbrennen bei Temperaturen zwischen 473 K und 633 K oder Lösen in einem geeigneten Lösungsmittel werden die für die Herstellung der Emulsion benutzten Hilfsstoffe, z.B. Gelatine, entfernt. Die Temperaturbehandlung dient gleichzeitig der Verbesserung der Haftung der Keime. Als Metallkeime werden verschiedene Edelmetalle, ZoB. Pd und Ag verwendet. In den nachfolgenden chemischen nickel-, Kupfer-, Gold- oder Sn-, (PbSn)-Bädern dienen die Keime bis zur Oberflächenbedeckung der Metallschicht zur katalytisehen Reduktion der entsprechenden Metallionenkomplexe.By baking at temperatures between 473 K and 633 K or dissolving in a suitable solvent, the excipients used for the preparation of the emulsion, e.g. Gelatin, removed. The temperature treatment also serves to improve the adhesion of the germs. As metal germs are various precious metals, ZoB. Pd and Ag used. In the following chemical nickel, copper, gold or Sn, (PbSn) baths, the nuclei serve for the catalytic reduction of the corresponding metal ion complexes up to the surface coverage of the metal layer.

Die Abscheidungsrate ist zur Vermeidung innerer Spannungen gering und liegt zwischen 0,05 und 0,5 um pro Minute.The deposition rate is low to avoid internal stress and is between 0.05 and 0.5 μm per minute.

Typische Schichtdicken der Leiterzüge betragen 2-5 uiii. Werden sehr dicke Schichten für Spezialanwendungen gewünscht, ist eine nachträgliche galvanische Verstärkung in üblichen Bädern möglich.Typical layer thicknesses of the conductor tracks are 2-5 uiii. If very thick layers are required for special applications, subsequent galvanic reinforcement in conventional baths is possible.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Eine Folie aus Polytetrafluoräthen mit geringer Rauhtiefe wird folgendermaßen vorbehandelt:The invention will be explained below with reference to an embodiment. A film of low roughness polytetrafluoroethylene is pretreated as follows:

1«, Entfetten in 3 % Gr Amulgolösung bei 60° G 1 ", degreasing in 3 % G r Amulgol solution at 60 ° G

2 β Spülen2 β rinse

3. Beizen in 20 % NaOH-Lösüng'bei 80° C3. Pickling in 20 % NaOH solution at 80 ° C

- β- - β-

4« Neutralisieren in einem Gemisch aus 1 Teil 4-0/cdger Fluorwasserstoff säure und 3 Teilen 36%iger Chlorwasserstoffsäure4 «Neutralize in a mixture of 1 part 4-0 / hydrazoric acid and 3 parts of 36% hydrochloric acid

5.' Spülen5. ' do the washing up

Das so vorbehandelte Substrat wird nach einer Y/armlufttrocknung mit lichtempfindlicher silberhaltiger Emulsion (ORWO-Mikratemulsion) beschichtete Zweckmäßigerweise geschieht das zur Erzielung einer gleichmäßigen Schichtdicke durch Aufschleudern bei einer Drehzahl von caβ 1500 U min ». Die Emulsion wird zum Aufbringen auf das Substrat bei einer Temperatur von 35° 'P gehalten« Anschließend an das Trocknen d^er Gelatine (20 min bei 25° C im Luftstrom) wird mit Hilfe einer Fotovorlage •mit der gewünschten Leiterstruktur die Belichtung vor- _genommen. Als Lichtquelle dient dabei eine Quarzlampe mit' einer Leistungsaufnahme von 400 W. Die Belicht ung'szeit beträgt 5 s. Nach der Belichtung wird in hart arbeitenden Entwickler· ORWO A 71 2 min bei 20° C entwickelt. Das nichtumgesetzte Silberhalogenid entfernt man durch Fixierung in ORWO-Fixierbad A 300 entsprechend der Arbeitsvorschrift von OEWO, Anschließend wird gründlich gewässert (1.5 min, 15° C). Die Probe trocknet man nun bei 25° C im Luftstrom. Zur Beseitigung der Ge-"latine erfolgt eine Wärmebehandlung im Ofen bei 230° C für 45 min. .The substrate thus pretreated is coated after Y / arm air drying with photosensitive silver-containing emulsion (ORWO-Mikratemulsion) Conveniently this is done to achieve a uniform layer thickness by spin coating at a speed of about β 1500 U min ». The emulsion is kept at a temperature of 35 ° C. for application to the substrate. After the gelatin has been dried (20 minutes at 25.degree. C. in a stream of air), the image is exposed to light with the desired conductor structure. _genommen. The light source is a quartz lamp with a power consumption of 400 W. The exposure time is 5 s. After exposure, ORWO A 71 is developed for 2 min at 20 ° C. in hard-working developer. The unreacted silver halide is removed by fixation in ORWO fixer A 300 according to the working instructions of OEWO, followed by thorough watering (1.5 min, 15 ° C). The sample is now dried at 25 ° C in a stream of air. To remove the gelatin, a heat treatment is carried out in the oven at 230 ° C for 45 min.

Die Behandlungsschritte "Aufbringen der Emulsion" bis "Fixierung" sind in der Dunkelkammer bei Rotlicht (OKtfO-Filter 107 rot) vorzunehmen«; Die auf der Substratoberfläche vorliegenden Silberkeime werden durch Eintauchen in eine O,5$5ige PdCIp -Lösung in für die nachfolgende Metallisierung katalytisch v/irksame Keime umgewandelt. Ein Spülen in entionisiertem HpO beendet den Prozeß der Keimwand-lung,The treatment steps "application of the emulsion" to "fixation" are to be carried out in the darkroom with red light (OKtfO filter 107 red) «; The silver nuclei present on the substrate surface are converted by immersion in an O, 5 $ PdCIp solution in for the subsequent metallization catalytically active / germs. Rinsing in deionized HpO completes the process of germination,

ΛΓ _ - i-^ ^MT TITf EUra» -«j-vav ^pΛΓ _ - i- ^ ^ MT TITf EUra »-« j-vav ^ p

Die so vorbereitete Probe wird in ein chemisch-reduktives Metallisierungsbad, -Z..B. ein Mckelbad eingebracht und bis zur Schichtdicke von 5 um behandelt. Die so hergestellten Schichten zeichnen sich durch gute-Haftfestigkeit, scharfe Konturen, keine Migration bei Spannungsbelastung, gute Lot- und Bondbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aus.The prepared sample is placed in a chemically-reductive metallization bath , -Z..B. a Mckelbad introduced and treated to the layer thickness of 5 microns. The layers thus produced are characterized by good adhesion, sharp contours, no migration under stress, good solderability and bondability and corrosion resistance.

Claims (2)

- 8 - O O ft- 8 - O ft Erfindungsanspruchinvention claim Additiv-Verfahren zur Herstellung von Leiterplatte^ gekennzeichnet dadurch, daß die für die katalytische-Reduktion von Metallionen aus chemischen Bädern notwendigen Keime durch ein Ρ.οϊό verfahr en strukturiert auf der polymeren Oberfläche erzeugt und durch eine Temperaturbehandlung auf der Oberfläche haftfest fixiert werden."Additive process for the production of printed circuit board ^ characterized in that the necessary for the catalytic reduction of metal ions from chemical baths germs by a ϊό.οϊό process en structured on the polymeric surface and adherent fixed by a temperature treatment on the surface. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet, dadurch, daß für die strukturierte Herstellung der Keime " auf der Oberfläche Emulsionen verwendet werden, die Verbindungen enthalten, die mit Licht bestimmter Wellenlänge Metallkeime oder Elektronen, die zur Reduktion von Metallionen geeignet sind, erzeugen. . . . .2. The method according to item 1, characterized in that are used for the structured production of the "germs" on the surface of emulsions containing compounds that generate light with a certain wavelength metal nuclei or electrons that are suitable for the reduction of metal ions. .... 3β Verfahren nach Punkt· 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Keimhaftung die polymeren Oberflächen bevorzugt temperaturbeständiger Plaste und Plastverbündwerkstoffe spezifisch mit einer Folge von Lauge oder einem Säuregemisch gebeizt v/erden. . .3β method according to item 1, characterized in that for the germ attachment, the polymeric surfaces preferably temperature-resistant plastics and Plastverbündwerkstoffe preferably pickled with a series of lye or an acid mixture v / earth. , ,
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