DE10154316A1

DE10154316A1 - Verfahren zur selektiven Oberflächenbehandlung von plattenförmigen Werkstücken

Info

Publication number: DE10154316A1
Application number: DE10154316A
Authority: DE
Inventors: Juergen Schulz-Harder
Original assignee: Juergen Schulz-Harder
Current assignee: Electrovac AG
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-05-15
Also published as: EP1442642A1; WO2003041469A1; US20050095748A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur selektiven Oberflächenbehandlung eines plattenförmigen Werkstückes an wenigstens einer von zwei metallischen Oberflächenseiten werden zwei gleichartige Werkstücke an einer ihrer ersten Oberflächenseiten zumindest in einem Teilbereich nach außen hin abgedichtet, lösbar miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Bekannt ist beispielsweise die Herstellung von Leiterplatten für elektrische und elektronische Schaltkreise unter Verwendung eines plattenförmigen Ausgangsmaterials, welches im einfachsten Fall aus einer isolierenden Schicht besteht, die an ihren beiden Oberflächenseiten mit einer Metallschicht, beispielsweise mit einer Kupferschicht versehen ist. Letztere wird dann beispielsweise mit der ebenfalls bekannten Maskierungs- und Ätztechnik strukturiert, so daß die erforderlichen Leiterbahnen, Anschlüsse, Kontaktflächen usw. erhalten werden.

Bekannt ist speziell auch die Herstellung von sogenannten DCB-Substraten, die im wesentlichen aus einer Keramikschicht, beispielsweise aus einer Schicht aus Aluminium-Oxid-Keramik bestehen, die an ihren beiden Oberflächenseiten mit jeweils einer von einer Metall- oder Kupferfolie gebildeten Metallisierung versehen ist, die dann wiederum beispielsweise durch Anwendung der Maskierungs- und Ätztechnik strukturiert wird. Das Aufbringen der Metall- oder Kupferfolie erfolgt z. B. mit einem Aktiv-Lot-Verfahren oder dem bekannten Direct-Bonding-Verfahren, welches beispielsweise in der US-PS 37 44 120 oder in der DE-PS 23 19 854 beschrieben ist.

Vielfach ist es auch notwendig, bei plattenförmigen Werkstücken mit metallischen Oberflächenseiten, beispielsweise bei Leiterplatten oder Substraten, vorzugsweise nach der Strukturierung der Metallisierungen, eine selektive Oberflächenbehandlung vorzunehmen, was im einfachsten Fall bedeutet, daß auf lediglich auf eine der beiden Oberflächenseiten des Werkstückes wenigstens eine metallische Beschichtung oder aber mehrere metallische Beschichtungen aufeinander folgend aufgebracht werden, beispielsweise auf eine Metalloberfläche aus Kupfer eine Beschichtung aus Nickel und eventuell darüber noch eine weitere Beschichtung aus Gold, z. B. zur Herstellung eines möglichst optimalen elektrischen Kontaktes oder einer Leiterbahn (auch für Hochfrequenzschaltkreise) mit möglichst geringem Widerstand.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem mit besonders einfachen Mitteln eine selektive Oberflächenbehandlung von plattenförmigen Werkstücken möglich ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine selektive Oberflächenbehandlung in besonders einfacher Weis, insbesondere ohne aufwendige Verfahrensschritte und ohne den Einsatz von zusätzlichen Produktionshilfsmitteln zum Abdecken oder Maskieren solcher Oberflächenseiten, an denen die Oberflächenbehandlung nicht erfolgen soll.

"Werkstücke" im Sinne der vorliegenden Erfindung sind plattenförmige Werkstücke mit einer metallischen Oberfläche an zwei einander gegenüberliegenden Oberflächenseiten generell, bevorzugt aber Leiterplatten.

"Oberflächenbehandlung" im Sinne der Erfindung ist insbesondere das Aufbringen wenigstens einer metallischen Beschichtung, beispielsweise durch galvanisches und/oder chemisches Abscheiden.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung und im Schnitt ein unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes DCB-Einzelsubstrat;

Fig. 1 in schematischer Darstellung und in Draufsicht ein unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes DCB-Mehrfachsubstrat;

Fig. 3 in verschiedenen Positionen Verfahrensschritte zur Herstellung des Substrats der Fig. 1;

Fig. 4 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt eine Vakuum-Trägerplatte zur Verwendung bei dem Verfahren der Fig. 3.

In den Figuren ist 1 ein DCB-Einzelsubstrat, welches aus einer Keramikschicht 2 (beispielsweise aus einer Aluminiumoxid-Keramik), aus einer auf der Oberseite der Keramikschicht 2 vorgesehenen Metallisierung 3 und aus einer auf der Unterseite der Keramikschicht 2 vorgesehenen Metallisierung 4 besteht. Beide Metallisierungen 3 und 4 sind jeweils von einer Kupferfolie gebildet, die mit Hilfe der DCB-Technik flächig mit der Keramikschicht 2 verbunden ist. Die Metallisierung 3 ist so strukturiert, daß sie mehrere elektrisch voneinander getrennte Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen und/oder Anschlüsse eines elektrischen Schaltkreises bildet, der auch nicht dargestellte, mit den Kontaktflächen bzw. Leiterbahnen verbundene elektrische Bauelemente aufweist. Auf der der Keramikschicht 2 abgewandten Oberseite ist die strukturierte Metallisierung 3 oberflächenbehandelt, und zwar in der Weise, daß dort beispielsweise durch chemisches Abscheiden eine Nickelschicht 5 und auf diese eine Goldschicht 6 aufgebracht sind, deren Dicken in der Fig. 1 allerdings übertrieben groß dargestellt sind.

Die untere Metallisierung 4 des DCB-Einzelsubstrates 1 ist bei der dargestellten Ausführungsform so strukturiert ist, daß diese Metallisierung jeweils mit Abstand vom . Rand der quadratischen oder rechteckförmigen Keramikschicht 2 endet. Eine Oberflächenbehandlung weist die Metallisierung 4 nicht auf.

Die Herstellung des DCB-Einzelsubstrates erfolgt im Mehrfachnutzen, d. h. es wird entsprechend der Fig. 2 ein DCB-Mehrfachsubstrat 7 gefertigt, welches in Reihen und Spalten parallel zu den Rändern eine Vielzahl von Einzelsubstraten 1 aufweist, d. h. entsprechend diesen Einzelsubstraten 1 an der Oberfläche und Unterseite der Keramikschicht des DCB-Mehrfachsubstrates strukturiert ist. An der die oberflächenbehandelten Metallisierungen 3 der späteren Einzelsubstrate 1 bildenden Oberseite ist das DCB-Mehrfachsubstrat 7 entlang der Ränder mit zusätzlichen durch Strukturierung der betreffenden Kupferfolie gebildeten Metallrändern oder -stegen 8 und 9 versehen, die ein unerwünschtes Brechen des Mehrfachsubstrates 7 in die Einzelsubstrate 1 nach dem Ritzen bzw. Lasern des Mehrfachsubstrates 7, d. h. nach dem Einbringen von Sollbruchlinien 10 zwischen den Einzelsubstraten 1 verhindern, und zwar beim weiteren Handling des Mehrfachsubstrates 7, beispielsweise beim Bestücken der Einzelsubstrate mit den elektrischen Bauelementen usw.. Derartige metallisierte Metallstege 8 und 9 bzw. metallisierte Randbereiche, die ein unerwünschtes Brechen des Mehrfachsubstrates 7 vermeiden, sind z. B. in der DE 43 19 944 A1 beschrieben.

Die Oberflächenbehandlung der Metallisierungen 3 erfolgt ebenfalls durch eine entsprechende Behandlung des Mehrfachsubstrates 7 und auf jeden Fall vor dem Trennen des Mehrfachsubstrates 7 in die Einzelsubstrate 1.

Die Fig. 3 zeigt schematisch verschiedene Schritte zum Herstellen des Mehrfachsubstrates 7 mit der selektiven Oberflächenbehandlung lediglich der Metallisierungen 3, nicht aber der Metallisierungen 4.

Zunächst werden entsprechend der Position a) auf beide Oberflächenseiten der Keramikschicht 2 des Mehrfachsubstrates 7 die die Metallisierungen 3 und 4 bildenden Kupferfolien 3' und 4' mit Hilfe der DCB-Technik aufgebracht. In weiteren Verfahrensschritten erfolgt dann beispielsweise mit Hilfe der üblichen Maskierung- und Ätztechnik das Strukturieren der Kupferfolien 3' und 4', um entsprechend der Position b) die Metallisierungen 3 und 4 der Einzelsubstrate 1 zu bilden und zugleich auch an der Oberseite des Mehrfachsubstrates 7 bzw. der Keramikschicht 2 die Metall-(Kupfer)- Stege 8 und 9 entlang der Ränder des Mehrfachsubstates 7. An der die strukturierte Metallisierungen 4 der Einzelsubstrate 1 aufweisenden Unterseite der Keramikschicht 2 fehlen derartige Metall- bzw. Kupferstege.

Wie die Fig. 2 zeigt, erstrecken sich die Stege 8 jeweils über die gesamte Länge des betreffenden Randes des Mehrfachsubstrates 7, während die Stege 9 in einem gewissen Abstand von den Stegen 8 enden, so daß in dem zwischen den Steg 8 und 9 gebildeten Zwischenraum ebenfalls eine Sollbruchlinie 10 parallel zu den benachbarten Steg 8beispielsweise durch Lasern eingebracht werden kann, und zwar in der Weise, daß sich diese Sollbruchlinie 11 über die gesamte Breite des Mehrfachsubstrates 7 erstreckt.

Nach dem Strukturieren der Kupferfolien 3' und 4' erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt die selektive Oberflächenbehandlung nur der Metallisierungen 3 und nicht aber der Metallisierungen 4. Hierfür werden zwei Mehrfachsubstrate 7 jeweils mit ihrer die Metallisierungen 4 aufweisenden. Unterseite über ein Verbindungselement 12 dicht, aber wieder lösbar miteinander verbunden, und zwar derart, daß die Metallisierungen 4 durch das Verbindungselement 12 nach außen hin völlig abgedeckt sind. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Verbindungselement 12 rahmenartig ausgeführt und erstreckt sich entlang des Randes der Unterseite des Mehrfachsubstrates 7, und zwar dort, wo an der Oberseite des jeweiligen Mehrfachsubstrates 7 die äußeren Metallstege 8 und 9 vorgesehen sind. Das Verbindungselement 12 ist mit den Unterseiten der beiden Mehrfachsubstrate 7 in geeigneter Weise dicht, aber wieder lösbar verbunden, beispielsweise unter Verwendung einer Dichtungs- oder Verbindungsmasse, die ein Wiederlösen der Mehrfachsubstrate 7 von dem Verbindungselement 12 gestattet.

Dadurch, daß an der Unterseite der Mehrfachsubstrate 7 die Metallstege 8 und 9 am Rand und insbesondere auch die Übergänge zwischen den anschließenden Metallstegen 8 und 9 fehlen, ist eine flächige und dichte Verbindung zwischen der Unterseite der Keramikschicht 2 jedes Mehrfachsubstrates 7 und dem Verbindungselement 12 erreicht. Die Metallisierungen 4, für die keine Oberflächenbehandlung vorgesehen ist, befinden sich also in dem vom Verbindungselement 12 und den Keramikschichten 2 der beiden Mehrfachsubstrate 7 dicht verschlossenen Raum, wie dies in der Position c) der Fig. 3 dargestellt ist, so daß die anschließende Oberflächenbehandlung lediglich an den freiliegenden Metallisierungen 3 erfolgt.

Grundsätzlich wäre eine selektive Oberflächenbehandlung nur der Metallisierungen 3 und der Metallstege 8 und 9 auch dadurch denkbar, daß vor der Oberflächenbehandlung die Metallisierungen 4 an der Unterseite entsprechend maskiert werden. Gegenüber einer solchen Vorgehensweise hat aber das vorstehend beschriebene Verfahren u. a. den Vorteil, daß das Aufbringen einer zusätzlichen Maskierung vor der selektiven Oberflächenbehandlung und das Entfernen dieser Maskierung nach der selektiven Oberflächenbehandlung sowie die damit verbundenen zusätzlichen Kosten für Material und Entsorgung entfallen und auch eine Verschmutzung der für die Oberflächenbehandlung verwendeten Bäder durch die für eine Maskierung benötigten Komponenten oder Lacke vermieden ist.

Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß für die selektive Oberflächenbehandlung der Metallisierungen 3 die beiden Mehrfachsubstrate 7 über das rahmenartige Verbindungselement 12 unter Verwendung einer klebenden und dichtenden Masse miteinander verbunden werden.

Die Fig. 4 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Vakuum-Trägerplatte 13, die für eine Verbindung von zwei Mehrfachsubstraten 7 an ihren Unterseiten bei der selektiven Oberflächenbehandlung der Metallisierungen 3 verwendet werden kann. Die Platte 13, deren Randabmessungen den Randabmessungen des Mehrfachsubstrates 7 bzw. der Keramikschicht 2 dieses Mehrfachsubstrates entspricht, ist bei der dargestellten Ausführungsform symmetrisch zu einer parallel zu den Oberflächenseiten dieser Platte 13 verlaufenden Mittelebene ausgebildet, und zwar mit mehreren Kammern 13', die zu den beiden Oberflächenseiten hin offen sind, und mit mehreren Stegen 14 zwischen den Kammern 13'. Die Stege 14 sind in Teilbereichen mit geringerer Höhe und in Teilbereichen mit größerer Höhe ausgeführt und bilden in diesen Teilbereichen größerer Höhe Anlage- oder Abstützflächen 15 für die Unterseite der beiden Mehrfachsubstrate 7, die über die Trägerplatte 13 miteinander verbunden sind. Durch die in Teilbereichen schmälere Ausbildung der Stege 14 stehen die Kammern 13' miteinander Verbindung. Entlang des Randes bildet die Trägerplatte 13 einen in sich geschlossenen Rahmenabschnitt 16, an dem an der Oberseite und Unterseite jeweils entlang des Randes der Trägerplatte 13 eine umlaufende Dichtung 17 vorgesehen ist. Am Rahmenabschnitt 16 ist weiterhin wenigstens ein mit einem Absperrventil versehenes Anschlußstück 18 vorgesehen, welches in eine der Kammern 13' mündet und welches an eine nicht dargestellte Vakuum-Quelle anschließbar bzw. angeschlossen ist.

Zur selektiven Oberflächenbehandlung werden die beiden Mehrfachsubstrate 7 mit ihrer Unterseite auf jeweils eine Seite der Vakuum-Trägerplatte 13 aufgelegt, so daß die dortige umlaufende Dichtung 17 gegen die Unterseite der Keramikschicht 2 eines Mehrfachsubstrates 7 anliegt, und zwar entlang des Randes dieses Mehrfachsubstrates dort, wo an der Oberseite die Metallstege 8 und 9 vorgesehen sind. Durch Evakuieren der Trägerplatte 13 bzw. der von den Keramikschichten 2 geschlossenen Kammern 13' über den Anschluß 18 werden die Mehrfachsubstrate 7 an der Trägerplatte 13 fixiert, so daß dann beispielsweise nach Schließen des Ventils des Anschlusses 18 die selektive Oberflächenbehandlung der Mehrfachsubstrate 7 an den Metallisierungen 3 erfolgen kann.

Grundsätzlich besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die Vakuumverbindung zur Trägerplatte 13 auch während der selektiven Oberflächenbehandlung aufrecht zu erhalten. Das Absperren des Anschlusses 18 nach dem Evakuieren der Kammern 13' und vor der selektiven Oberflächenbehandlung stellt aber sicher, daß bei fehlerhafter Abdichtung zwischen den Einzelsubstraten 7 und der Trägerplatte 13 kein für die Oberflächenbehandlung verwendetes Medium in die Vakuumquelle gelangen kann.

Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß mit dem Verfahren eine selektive Oberflächenbehandlung von Metallisierungen an DCB-Substraten erfolgt. Selbstverständlich eignet sich das Verfahren auch zur selektiven Oberflächenbehandlung von Metallisierungen anderer Substrate, die z. B. ebenfalls als Leiterplatten für elektrische Schaltkreise verwendet werden, beispielsweise von Substraten, die eine isolierende Schicht aus Keramik oder aus einem anderen isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff aufweisen, allerdings nicht unter Verwendung der DCB-Technik hergestellt sind. Weiterhin eignet sich das beschriebene Verfahren generell auch zur selektiven Oberflächenbehandlung von Metallschichten oder Werkstücken, die beispielsweise auf nur einen Oberflächenseite mit einer oder mehreren Beschichtungen z. B. aus Metall versehen werden sollen.

Grundsätzlich besteht natürlich auch die Möglichkeit, Verfahrensschritte zur selektiven Oberflächenbehandlung mehrfach, d. h. wenigstens zweifach vorzusehen, und zwar beispielsweise bei dem in Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Ausführungsformen in der Weise, daß in einer ersten Phase die selektive Oberflächenbehandlung der Metallisierungen 3 erfolgt, wie dies vorstehend beschrieben wurde, und daß dann in einer zweiten Phasen, bei der dann zwei Mehrfachsubstrate 7 beispielsweise über das Verbindungselement 12 an ihren Oberseiten diese abdichtend und wieder lösbar miteinander verbunden sind, die selektive Oberflächenbehandlung der Metallisierungen 4 erfolgt. Analog hierzu ist die selektive Oberflächenbehandlung in mehreren Phasen auch bei anderen Substraten und Werkstücken möglich.

Weiterhin wurde vorstehend davon ausgegangen, daß die strukturierten Metallisierungen 3 durch eine Maskierungs- und Ätztechnik erzeugt werden. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, diese Metallisierungen 3 bereits in strukturierter Form auf die jeweilige Isolierschicht, beispielsweise Keramikschicht aufzubringen. Bezugszeichenliste 1 DCB-Einzelsubstrat
2 Keramikschicht
3, 4 Metallisierung
3', 4' Kupferfolie
5, 6 Oberflächenschicht
7 Mehrfachsubstrat
8, 9 Metallsteg
10, 11 Sollbruchlinie
12 Verbindungselement
13 Vakuum-Trägerplatte
13' Kammer
14 Steg
15 Anlagefläche
16 Rahmenabschnitt
17 umlaufende Dichtung
18 Anschluß

Claims

1. Verfahren zur selektiven Oberflächenbehandlung eines plattenförmigen Werkstückes an wenigstens einer von zwei metallischen Oberflächenseiten, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei gleichartige Werkstücke (7) an einer ihrer ersten Oberflächenseiten zumindest in einem Teilbereich nach außen hin abgedichtet lösbar miteinander verbunden werden, und daß in einer Behandlungsphase dann die selektive Oberflächenbehandlung der durch die Verbindung nicht abgedeckten Bereiche der metallischen Oberflächenseiten erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Oberflächenbehandlung durch Aufbringen wenigstens eines metallischen Überzugs oder einer metallischen Beschichtung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Oberflächenbehandlung durch chemisches und/oder elektrolytisches Abscheiden wenigstens einer metallischen Beschichtung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das abgedichtete und wieder lösbare Verbinden der Werkstücke (7) derart erfolgt, daß diese jeweils an einer ihrer Oberflächenseiten vollständig durch die Verbindung abgedeckt sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke Platten aus Metall sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke Leiterplatten oder Leiterplattensubstrate (1, 7) mit wenigstens einer isolierenden Schicht (2) und einer Metallisierung (3, 4) an zwei außenliegenden Oberflächenseiten sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke Keramik-Metall-Substrate (1, 7) sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke DCB-Substrate (1), vorzugsweise DCB-Mehrfachsubtrate (7) sind.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die wieder lösbare Verbindung der Werkstücke (7) ein rahmen- oder plattenartiges Verbindungselement (12, 13) verwendet wird, an welchem die Werkstücke (7) unter Verwendung einer haftenden und/oder klebenden und dichtenden Masse und/oder unter Verwendung von Unterdruck gehalten sind.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere zeitlich aufeinander folgende Phasen einer selektiven Behandlung, wobei vor jeder Phase der selektiven Oberflächenbehandlung die Werkstücke (7) an ihren nicht zu behandelnden Oberflächenseiten dicht miteinander verbunden sind.