DE102010016780A1

DE102010016780A1 - Verfahren zur Herstellung einer flexiblen Schaltungsanordnung, flexible Schaltungsanordnung und elektrische Schaltungsanordnung mit einer solchen flexiblen Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102010016780A1
Application number: DE102010016780A
Authority: DE
Inventors: Dr. Feurer Ernst; Karin Ruess; Dr. Kaiser Alexander; Dr. Holl Bruno
Original assignee: Cicor Management AG
Current assignee: Cicor Management AG
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2010-05-04
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-05-05
Also published as: DE102010016780B4; US20110272180A1; US9027240B2; US20150289373A1

Abstract

dnung, welche eine Schichtenfolge und eine mit dieser verbundene Folie enthält, wird zur Erzeugung von Durchkontaktierungen durch die Folie bis zu Anschlussflächen der Schichtenfolge vorgeschlagen, die Folie unstrukturiert mit der auf einem Substrat in definierter Position vorliegenden Schichtenfolge zu verbinden und danach, während der Verbund von Schichtenfolge und Folie auf dem Substrat verbleibt, Durchbrüche durch die Folie bis zu Anschlussflächen einer Leiterschicht der Schichtenfolge zu erzeugen und strukturiert Kontaktmetall auf die Folie und in die Durchbrüche als Durchkontaktierungen abzuscheiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer flexiblen Schaltungsanordnung, eine flexible Schaltungsanordnung und eine elektrische Schaltungsanordnung mit einer solchen flexiblen Schaltungsanordnung.
Flexible Schaltungsanordnungen sind u. a. vorteilhaft für den Einsatz in Anwendungsfällen, in denen die Schaltungsanordnung dauerhaft flexible Eigenschaften aufweisen muss, wie insbesondere bei Körperimplantaten oder in im Gebrauch zumindest begrenzt flexiblen Gegenständen, wie z. B. Kreditkarten.
Flexible Schaltungsanordnungen enthalten wenigstens eine Isolierschicht und wenigstens eine Leiterschicht, wobei zumindest die Leiterschicht in der Fläche strukturiert ist. Die Begriffe Isolierschicht und Leiterschicht sind dabei und im folgenden auf die elektrischen Eigenschaften der Schichtmaterialien bezogen. Häufig sind wenigstens zwei strukturierte Leiterschichten vorgesehen, welche durch wenigstens eine als Trennschicht wirkende Isolierschicht voneinander beabstandet sind. Typischerweise sind die beiden Leiterschichten über Durchkontaktierungen durch die Trennschicht, welche hierfür gleichfalls in der Fläche strukturiert ist, punktuell miteinander leitend verbunden, so dass eine dreidimensionale Anordnung von Leiterstrukturen entsteht. Die Strukturierung der Leiterschichten und der Isolierschichten erfolgt typischerweise fotolithografisch mit unterschiedlichen Masken.
Zum Anschluss der flexiblen Schaltungsanordnung an eine weitere Leiterbahnen, Bauelemente etc. enthaltende elektrische Schaltungsanordnung, insbesondere auf einer Schaltungsplatine, sind in wenigstens einer strukturierten Leiterschicht der flexiblen Schaltungsanordnung Anschlussflächen in den Leiterstrukturen ausgebildet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von flexiblen Schaltungsanordnungen mit sehr kleinen Strukturen anzugeben. Ziel der Erfindung ist ferner eine nach einem solchen Verfahren hergestellte flexible Schaltungsanordnung und eine elektrische Schaltungsanordnung mit einer solchen flexiblen Schaltungsanordnung.
Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen.
Durch Verbinden einer unstrukturierten Trägerfolie auf die Schichtenfolge der flexiblen Schaltungsanordnung und die nachfolgende Erzeugung von Strukturen und Durchkontaktierungen durch die Trägerfolie können besonders kostengünstig flexible Schaltungsanordnungen mit sehr geringen Strukturgrößen der Strukturen erzeugt werden. In den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten flexiblen Schaltungen ist die prinzipielle Flexibilität der Schichtenfolge erhalten, die Handhabbarkeit beider weiteren Verwendung der flexiblen Schaltungsanordnungen ist aber gegenüber der reinen flexiblen strukturierten Schichtenfolge wesentlich verbessert.
Die nachträgliche Strukturierung einer zuvor in unstrukturierter Form mit der Schichtenfolge verbundenen Trägerfolie ist insbesondere von besonderem Vorteil gegenüber einer Vorgehensweise mit Vorstrukturierung der Trägerfolie und Verbindung der vorstrukturierten Trägerfolie mit der Schichtenfolge. Die Prozessführung kann durch die unstrukturiert mit der Schichtenfolge verbundene Trägerfolie einfach gehalten und auf wenige, mit hoher Präzision ausführbare Prozessschritte nach der Fertigstellung der Schichtenfolge beschränkt werden. Dies führt insgesamt zu einer kostengünstigen Herstellung, insbesondere im Verbund einer Mehrzahl von flexiblen Schaltungsanordnungen, welche auf einem gemeinsamen Substrat gleichzeitig hergestellt werden können.
Durch das Verbinden der unstrukturierten Trägerfolie mit der Schichtenfolge und der danach erfolgenden Erzeugung der Durchbrüche und Durchkontaktierungen durch die Trägerfolie in einem Verfahrensstadium, in welchem die unstrukturierte Folie mit der Schichtenfolge verbunden ist, werden gegenüber einer Vorstrukturierung der Trägerfolie mit Durchkontaktierungen und Verbindung der strukturierten Trägerfolie mit der Schichtenfolge Fehler in den Verbindungen zwischen Trägerfolie und Schichtenfolge, insbesondere Fehler durch ungenügende Justiergenauigkeit weitgehend vermieden.
Dem liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass die Trägerfolie, welche typischerweise aus einem Polymer, insbesondere aus einem Polyimid besteht, zwar mit hoher Präzision der Positionen der Durchkontaktierungen und Kontaktflächen vorgefertigt werden kann, dass aber zum einen Ausrichtfehler der vorstrukturierten Trägerfolie beim Aufbringen auf die Schichtenfolge unvermeidbar sind und zum anderen Verzerrungen der Trägerfolie während deren Handhabung durch mechanische und/oder thermische Einflüsse auftreten. Bei den geringen Abmessungen der Anschlussflächen von nur Bruchteilen von Millimetern entstehen so zu Fehlfunktionen führende kumulierte Positionsabweichungen zwischen Kontaktflächen an der Innenseite der Trägerfolie und Anschlussflächen der Schichtenfolge. Auch die elektrischen Verbindungen zwischen Kontaktflächen und Anschlussflächen sind nicht unproblematisch.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Ausrichtfehler weitgehend vermieden. Insbesondere können für die Strukturierung der Trägerfolie bei der Erzeugung der Durchbrüche und der Herstellung der Durchkontaktierungen und der Kontaktflächen vorteilhafterweise dieselben Positionsreferenzen einer Fertigungseinrichtung benutzt werden, welche auch bei der Strukturierung der die Anschlussflächen in der Leiterstruktur der Schichtenfolge benutzt werden. Solche Positionsreferenzen sind beispielsweise gegeben durch Referenzmarkierungen auf dem starren Substrat oder auf einem Substrathalter, durch formschlüssig ineinander greifende Strukturen zwischen dem Substrat und einem Substrathalter oder dergleichen. Die Verwendung einheitlicher Positionsreferenzen in aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten ist prinzipiell bekannt und gebräuchlich, insbesondere bei der Herstellung der Schichtenfolge selbst.
Die Schichtenfolge wird vorteilhafterweise auf einem starren Substrat erzeugt und nach Fertigstellung der flexiblen Schaltungsanordnung, in welcher die Schichtenfolge und die Trägerfolie miteinander verbunden sind und die Durchkontaktierungen und Kontaktflächen ausgebildet sind, wird diese von dem Substrat getrennt. Vorteilhafterweise können für eine rationelle und kostengünstige Herstellung eine Mehrzahl von flexiblen Schaltungen in einem flächigen Verbund nebeneinander liegend gemeinsam hergestellt werden. Die flexible Schaltungsanordnung kann auf einer Schaltungsplatine angeordnet und über die Kontaktflächen mit Leiterbahnen der Schaltungsplatine elektrisch leitend verbunden werden. Die flexible Schaltungsanordnung kann, auch im Verbund vor Vereinzelung um zusätzliche elektrische Bauelemente auf ihrer Oberfläche ergänzt werden.
Das Substrat weist in bevorzugter Ausführungsform eine durchgehend ebene Oberfläche auf, auf welcher die einzelnen Schichten der Schichtenfolge nacheinander abgeschieden und soweit vorgesehen strukturiert werden. Das starre Substrat kann Referenzstrukturen zur Ausrichtung von Einrichtungen zur Strukturierung, beispielsweise von Fotolithografie-Masken aufweisen oder mit einer Einrichtung, beispielsweise einem Probentisch, mit derartigen Referenzstrukturen in definierter, vorzugsweise über aufeinanderfolgende Verfahrensschritte gleichbleibenden oder reproduzierbaren Position verbunden sein. Die Einrichtungen zur Strukturierung können auch z. B. einen verfahrbaren, numerisch steuerbaren Werkzeugträger enthalten.
In der auf dem flächigen Substrat abgeschiedenen Schichtenfolge ist wenigstens eine strukturierte Leiterschicht mit Anschlussflächen in den Leiterstrukturen vorgesehen. Die Anschlussflächen dienen zum elektrischen Anschluss der Leiterstrukturen der einen oder mehrerer Leiterschichten der Schichtenfolge. Vorzugsweise werden die Anschlussflächen als Leiterstrukturen in der als letzte Leiterschicht der Schichtenfolge abgeschiedenen Leiterschicht, welche nachfolgend zur Unterscheidung von eventuell in der Schichtenfolge vorliegenden weiteren Leiterschichten als Anschlussschicht bezeichnet sei, hergestellt. Auf der Anschlussschicht wird vorzugsweise noch eine Isolierschicht abgeschieden, welche nachfolgend als Deckschicht bezeichnet sei. Die Trägerfolie wird mit der Deckschicht flächig verbunden, insbesondere auflaminiert. Die Deckschicht kann dabei vorteilhafterweise zur Verbindung mit der Trägerfolie flächig durchgehend unstrukturiert bleiben. Es können aber auch Anschlussflächen durch die Deckschicht erzeugt werden.
Die Trägerfolie kann in sich durch mehrere Schichten und/oder mehrere Teilfolien aufgebaut sein. Insbesondere kann die Trägerfolie durch eine erste und eine zweite Teilfolie gebildet sein, wobei die der Schichtenfolge zugewandte erste Folie als Klebefolie ausgeführt ist, welche zur Verklebung mit der Schichtenfolge und mit der zweiten Teilfolie vorteilhafterweise einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden kann. Die zweite Teilfolie kann vorteilhafterweise eine mechanisch stabilere Verstärkungsfolie, insbesondere aus einem FR4-Material, sein.
Nachdem die Trägerfolie mit der Deckschicht der Schichtenfolie verbunden ist, wobei die Schichtenfolge unverändert auf dem starren Substrat gehalten ist, werden an den Positionen der Anschlussflächen der Anschlussschicht Durchbrüche durch die Trägerfolie bis zu den Anschlussflächen erzeugt. Bei unstrukturiert über den Anschlussflächen verlaufender Deckschicht der Schichtenfolge werden die in der Trägerfolie erzeugten Durchbrüche auch durch die Deckschicht fortgesetzt bis zu den Anschlussflächen.
Die Trägerfolie und die Deckschicht bestehen vorteilhafterweise aus einem Polymer, insbesondere Polyimid. Die Anschlussflächen, insbesondere die gesamten Leiterstrukturen der Anschlussschicht bestehen vorteilhafterweise aus Metall, insbesondere Kupfer oder Gold. An Grenzflächen zwischen verschiedenen Schichten können Zwischenschichten abgeschieden werden, um die mechanische und/oder die elektrische Verbindung zwischen zwei Schichten zu gewährleisten.
Die Erzeugung der Durchbrüche durch die Trägerfolie und gegebenenfalls die Deckschicht bis zu den Anschlussflächen kann vorteilhafterweise durch punktuelle Beaufschlagung der Trägerfolie an den Positionen der Anschlussflächen mit einem fokussierten Laserstrahl erfolgen. Die Parameter des Laserstrahls werden vorteilhafterweise so gewählt, dass durch den Energieeintrag das Polymermaterial abgetragen wird, wogegen das darunter liegende Metall der Anschlussflächen nicht angegriffen wird. Parameter des Laserstrahls können neben der Intensität vor allem die Wellenlänge sein. In vorteilhafter Ausführung kann ein CO₂-Laser eingesetzt werden.
In den bis zu den Anschlussflächen reichenden Durchbrüchen werden Durchkontaktierungen erzeugt, wofür vorzugsweise ganzflächig auf die der Schichtenfolge abgewandte Außenseite und in die Durchbrüche eine Metallschicht als Kontaktmaterial abgeschieden und z. B. durch nachfolgende fotolithografische Maskierung und selektive Entfernung oder durch vorausgehende fotolithografische Strukturierung eines Fotolacks und lift-off überschüssigen Metalls strukturiert oder durch selektive, insbesondere galvanische Abscheidung von Metall in eine Lackmaske als strukturierte Metallschicht erzeugt wird. Die Abscheidung des Kontaktmaterials kann insbesondere durch Aufsputtern und evtl. galvanische Verstärkung einer Grundschicht erfolgen. Derartige Verfahren zur Erzeugung strukturierter Metallschichten sind an sich bekannt Vorteilhafterweise ergibt sich bei der Erzeugung der Durchkontaktierungen durch die zuvor erzeugten Durchbrüche mittels Metallabscheidung eine besonders gute und langzeitstabile elektrische Verbindung der Durchkontaktierungen mit den Anschlussflächen. Vorzugsweise wird Kontaktmaterial für die auf der Außenseite der Trägerfolie vorgesehenen Kontaktflächen gemeinsam mit dem Kontaktmaterial der Durchkontaktierungen in den Durchbrüchen abgeschieden. Vor Abscheiden des Kontaktmaterials kann eine vorzugsweise leitende Zwischenschicht, z. B. vollständig oder teilweise aus Titan, als Haftvermittlungsschicht abgeschieden werden.
Die flexible Schaltungsanordnung wird nach Erzeugung der Durchkontaktierungen und Kontaktflächen von dem Substrat getrennt, wobei bei gleichzeitiger Erzeugung einer Mehrzahl von flexiblen Schaltungen im Verbund über einem gemeinsamen Substrat vorzugsweise die einzelnen flexiblen Schaltungsanordnungen voneinander separiert werden, während sie noch auf dem Substrat angeordnet sind, z. B. durch Erzeugen von die Konturen der einzelnen flexiblen Schaltungen bildenden Nuten durch die Trägerfolie und durch die Schichtenfolge bis zum Substrat. Zwischen Fertigstellen der Durchkontaktierungen und der Kontaktflächen einerseits und Trennen der flexiblen Schaltungsanordnungen von dem Substrat andererseits können noch weitere Prozessschritte während des Verbleibs der flexiblen Schaltungsanordnungen auf dem Substrat durchgeführt werden.
In anderer Ausführung kann anstelle eines starren Substrats mit einer geschlossenen Fläche, auf welcher die Schichtenfolge abgeschieden wird, auch ein einen starren Rahmen um eine freie Innenfläche bildendes Substrat gewählt werden, auf welchem eine die Innenfläche überspannende Grundfolie befestigt ist. Die Schichtenfolge der flexiblen Schaltungen mit den zumindest teilweise strukturierten Isolier- und Leiterschichten wird vorteilhafterweise auf der Grundfolie über der Innenfläche erzeugt, wobei vorteilhafterweise wieder fotolithografische Verfahren zur Strukturierung eingesetzt werden können.
Nach Fertigstellung der Schichtenfolge kann wieder mit deren der Grundfolie abgewandten Seite eine Trägerfolie verbunden und in der beschriebenen Weise mit den Durchbrüchen und Kontaktflächen versehen werden, bevor, nach gegebenenfalls weiteren Verfahrensschritten, die flexible Schaltungsanordnung aus dem die Innenfläche überspannenden Bereich herausgetrennt und vereinzelt wird.
In einer Weiterbildung wird die die Innenfläche eines starren Substratrahmens überspannende Grundfolie, auf welcher über der Innenfläche die Schichtenfolge für die flexible Schaltungsanordnung abgeschieden wird, zugleich als Trägerfolie benutzt. Die Schichtenfolge für die flexible Schaltung wird hierfür in umgekehrter Reihenfolge der einzelnen Schichten, insbesondere mit der Anschlussschicht als der Grundfolie nächstliegender strukturierter Leiterschicht, auf der Grundfolie abgeschieden. Die die Anschlussflächen enthaltende Anschlussschicht kann dabei auch direkt auf der Grundfolie abgeschieden werden. Die Erzeugung von Durchkontaktierungen durch die Grundfolie und die Herstellung der Durchkontaktierungen und Kontaktflächen erfolgt von der der Schichtenfolge abgewandten Seite der Grundfolie aus.
Die einzelnen Schichten der Grundfolie können vorzugsweise als jeweils in sich materialhomogene Schichten erzeugt sein, können aber auch aus Teilschichten aufgebaut sein. Insbesondere an Grenzflächen zu benachbarten Schichten können Zwischenschichten als Haftvermittler-Schichten vorgesehen sein. Beispielsweise kann an Grenzflächen zwischen Metallschichten und Polymerschichten eine Titan (Ti) enthaltende Zwischenschicht vorgesehen sein, welche die Haftung zwischen Metallschicht und Polymerschicht verbessert Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
1 eine Draufsicht auf ein Substrat mit einer Mehrzahl von flexiblen Schaltungen,
2 Seitenansichten zu 1,
3 eine Ausführung mit einer Folie über einem Substratrahmen,
4 eine Variante zu 3,
5 einen vergrößerten Ausschnitt zu 2(A),
6 die Erzeugung von Durchbrüchen durch die Trägerfolie,
7 die Herstellung von Durchkontaktierungen und Kontaktflächen,
8 das Lösen einer flexiblen Schaltung vom Substrat,
9 das Verbinden einer flexiblen Schaltung mit einer Schaltungsplatine,
10 einen vergrößerten Ausschnitt zu 4,
11 die Anordnung nach 10 mit Durchkontaktierungen.
In den Abbildungen sind teilweise Koordinaten eines rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystems mit eingezeichnet.
Die Abbildungen sind lediglich als schematisch erläuternd zu verstehen und in den relativen Abmessungen nicht maßstabsgetreu.
1 zeigt eine Anordnung mit einem starren Substrat SW, beispielsweise einem Silizium-Wafer, mit einer Mehrzahl von flexiblen Schaltungsanordnungen FS. Die flexiblen Schaltungsanordnungen FS, welche im skizzierten Beispiel als untereinander gleichartig angenommen sind, sind durch eine Schichtenfolge über dem Substrat SW gebildet und in einem regelmäßigen Raster in einem zentralen Bereich ZB der Schichtenfolgen über dem Substrat SW angeordnet. Der zentrale Bereich ZB ist von einem geschlossen umlaufenden Randbereich RB umgeben. Vorteilhafterweise verläuft wenigstens eine der Schichten der Schichtenfolge sowohl über dem Randbereich RB als auch über dem von diesem umgebenen Zentralbereich ZB über dem Substrat SW. Die Positionsangabe, dass die Schichtenfolge über dem Substrat verläuft, sei so verstanden, dass die Schichten der Schichtenfolge in Richtung der Flächennormalen der ebenen Oberfläche des Substrats SW auf diese Substratoberfläche unmittelbar oder über zuvor erzeugten Schichten folgen.
Die mehreren flexiblen Schaltungen FS bilden in dem Beispiel nach 1 in dem zentralen Bereich ein regelmäßiges Raster, was aber lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Die mehreren flexiblen Schaltungen FS können auch untereinander verschieden und/oder unregelmäßig auf der Substratfläche angeordnet sein.
Die der Schichtenfolge des Substrats zugewandte Seite des Substrats, nachfolgend auch als Oberseite des Substrats bezeichnet, sei als in einer x-y-Ebene liegend angenommen. Die Flächennormale der Substratoberfläche verläuft dann parallel zur z-Richtung des rechtwinkligen Koordinatensystems. Für die flexiblen Schaltungsanordnungen sei im nachfolgenden näherungsweise angenommen, dass alle flächigen Bestandteile, insbesondere flexible Folien und einzelne Schichten der Schichtenfolge gleichfalls eben parallel zu der Substratoberfläche verlaufen. Aufgrund der Strukturierung einzelner Schichten der Schichtenfolge können diese Abweichungen von dem exakt ebenen Verlauf in der Größenordnung der Schichtdicken aufweisen, was aber aufgrund der im Verhältnis zu den Querabmessungen sehr geringen Schichtdicke für die vorliegende Erfindung als vernachlässigbar angesehen werden kann. Nachfolgend ist daher von einem im wesentlichen ebenen Verlauf der einzelnen Schichten oder Folien des Aufbaus der flexiblen Schaltungsanordnung parallel zu einer x-y-Ebene ausgegangen, solange die flexible Schaltungsanordnung mit dem Substrat verbunden ist.
2 zeigt in zwei Teilansichten eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei in 2(A) eine auf einem flächig durchgehenden Substrat SW erzeugte Schichtenfolge SF und eine Trägerfolie TF getrennt dargestellt sind. In 2(B) ist die Trägerfolie TF mit der Oberfläche OF der Schichtenfolge flächig verbunden, insbesondere auflaminiert, und strukturiert.
Das Substrat SW bildet eine starre Unterlage für die Schichtenfolge SF. Die Schichtenfolge enthält wenigstens eine strukturierte Leiterschicht AS, in welcher u. a. Anschlussflächen AF ausgebildet sind. Die strukturierte Leiterschicht AS mit den Anschlussflächen AF ist durch eine Isolierschicht NF als Deckschicht überdeckt. Die Isolierschicht NF ist nicht strukturiert und bildet die freie Oberfläche OF der auf dem Substrat SW gehaltenen Schichtenfolge.
Die Schichtenfolge SF kann in bevorzugter Ausführung mehrere Isolierschichten und mehrere Leiterschichten enthalten, wobei die Leiterschichten vorzugsweise flächig strukturiert sind. Vorteilhafterweise sind in an sich bekannter und gebräuchlicher Art mehrere Leiterschichten über Durchkontaktierungen durch diese Leiterschichten trennende Isolierschichten elektrisch miteinander verbunden. Hierfür sind auch die Isolierschichten flächig strukturiert. Als flächige Strukturierung sei verstanden, dass eine Schicht nicht flächig durchgehend ausgebildet ist, sondern das Schichtmaterial Strukturen wie z. B. Leiterbahnen, Anschlussflächen und Durchkontaktierungen bei Leiterschichten, bzw. Flächendurchbrüche zur Ausbildung von Durchkontaktierungen bei Isolierschichten aufweisen kann. Die Strukturierung ist dem Fachmann durch verschiedene gebräuchliche, insbesondere fotolithographische Verfahren bekannt.
Die Trägerfolie TF weist eine der Oberfläche OF der Schichtenfolge SF zuweisende, nachfolgend als Innenseite bezeichnete Seite TI und der Schichtenfolge SF abgewandt eine Außenseite TA auf. Die Trägerfolie TF wird mit ihrer Innenseite TI auf der Oberfläche OF der Schichtenfolge aufgelegt und mit der Schichtenfolge verbunden. Die Schichtenfolge ist in unveränderter Position auf dem Substrat SW gehalten, so dass auch die Position der Anschlussflächen AF in der Leiterschicht AS der Schichtenfolge genau bekannt sind. Die Trägerfolie kann in sich mehrlagig aufgebaut sein.
Nachfolgend werden in der mit der Schichtenfolge SF verbundenen Trägerfolie TF Durchbrüche DT erzeugt, welche durch die Trägerfolie TF bis zu den Anschlussflächen AF reichen. In dem skizzierten Fall, in welchem die Anschlussflächen AF innerhalb der Schichtenfolge durch eine isolierende Deckschicht NF überdeckt sind, werden die Durchbrüche durch die Trägerfolie durch diese Deckschicht NF bis zu den Anschlussflächen AF fortgeführt. Die Durchbrüche DT werden in bevorzugter Ausführung durch Einwirkung eines in x- und y-Richtung präzise positionierbaren fokussierten Laserstrahls LS erzeugt. Die Parameter des Laserstrahls, wie z. B. Intensität oder insbesondere Wellenlänge Werden dabei so gewählt, dass das Polymermaterial, insbesondere Polyimid, von Trägerfolie TF und Deckschicht NF abgetragen wird, dass aber die vorzugsweise metallischen Anschlussflächen AF nicht angegriffen werden.
In den Durchbrüchen DT können, wie noch im Detail erläutert wird, vorteilhafterweise Durchkontaktierungen von den Anschlussflächen AF zu auf der Oberseite TA der Trägerfolie zu erzeugenden Kontaktflächen hergestellt werden.
Durch den ununterbrochenen Verbleib der Schichtenfolge SF auf dem Substrat SW können die Durchbrüche DT durch die Trägerfolie TF mit hoher Präzision, d. h. an den x-y-Positionen der Anschlussflächen AF erzeugt werden.
3 zeigt wiederum in zwei Schritten eine Ausführungsform, bei welcher das Substrat nicht eine durchgehende Fläche aufweist, sondern einen starren Substratrahmen SR bildet, welcher einen nachfolgend als Innenfläche bezeichneten, von dem Rahmen SR umgebenden Bereich IF umlaufend umgibt.
Auf dem starren Substratrahmen SR ist eine Grundfolie GF, vorzugsweise aus einem Polymer, insbesondere einem Polyimid befestigt, vorzugsweise verklebt. Die von dem Substratrahmen SR umgebene Innenfläche ist von der Grundfolie GF frei überspannt. Die Grundfolie GF besitzt typischerweise eine Dicke zwischen wenigstens 0,01 mm, insbesondere wenigstens 0,03 mm und höchstens 0,2 mm, insbesondere 0,1 mm. Die Dicke des Substratrahmens SR in z-Richtung liegt vorteilhafterweise zwischen 0,5 mm und 5 mm. Die Breite des Rahmens zwischen dessen Außenkontur und Innenfläche IF beträgt vorteilhafterweise wenigstens das 3-fache der Dicke des Rahmens.
Der Substratrahmen SR kann in vorteilhafter Ausführung in der Art hergestellt sein, dass aus einer durchgehenden Platte mit der Außenkontur des Substratrahmens ein Innenteil mit der Innenkontur des Substratrahmens ausgeschnitten wird. Das Innenteil kann in nachfolgenden Prozessschritten als abstützende Unterlage für den überspannenden Bereich der Grundfolie über der Innenfläche bilden, ohne dass die Grundfolie mit diesem Innenteil verbunden wird.
Auf der Grundfolie GF wird wiederum eine Schichtenfolge SF abgeschieden, welche, wie im Beispiel nach 2 unter anderem eine strukturierte Leiterschicht AS mit Anschlussflächen AF sowie mit einer diese Anschlussflächen überdeckenden isolierenden Deckschicht NF mit einer Oberfläche OF enthält. Eine Trägerfolie TF der bereits zu 2 beschriebenen Art wird wiederum mit der Oberfläche OF der Schichtenfolge SF verbunden, insbesondere verklebt und von der Außenseite TA der Trägerfolie TF her werden wiederum Durchbrüche KD durch die Trägerfolie bis zu den Anschlussflächen AF erzeugt. Die Grundfolie ist dabei vorteilhafterweise am Bereich der Innenfläche unterstützt.
4 zeigt eine Variante zu 3, bei welcher wiederum auf einem Substratrahmen SR eine Grundfolie GF befestigt wird, welche die von dem Substratrahmen umgebene Innenfläche überspannt. Die auf der Grundfolie GF in dieser Variante abgeschiedene Schichtenfolge SV sieht Anschlussflächen VA in einer Leiterschicht AV nahe bei der Grundfolie GF vor, so dass typischerweise die Aufeinanderfolge der Schichten der Schichtenfolge SV umgekehrt verläuft zu der Reihenfolge der Schichten der Schichtenfolge SF.
In der Variante nach 4 wird keine zusätzliche Trägerfolie auf der dem Substrat abgewandten Seite der Schichtenfolge aufgebracht. Zur Herstellung von Durchkontaktierungen zu den in diesem Fall nahe bei der Grundfolie liegenden Anschlussflächen VA der Schichtenfolge werden von der Unterseite GU der Grundfolie GF her Durchbrüche DG durch die Grundfolie und gegebenenfalls eine oder mehrere Isolierschichten der Schichtenfolge SV hergestellt. Hierfür kann wiederum ein gebündelter Laserstrahl LS eingesetzt werden, wie in 4(B) angedeutet.
Nach Fertigstellung der Schaltungsanordnungen können diese voneinander separiert werden, beispielsweise mittels eines Laserstrahls oder eines Schneidwerkzeugs, und einzeln weiter verwendet werden. Zwischen der Herstellung von Durchkontaktierungen durch die Trägerfolie bzw. Grundfolie und dem Trennen und Vereinzeln der mehreren flexiblen Schaltungen FS aus dem Verbund nach 1 können weitere Schritte eines Herstellungsverfahrens vorgesehen sein, wobei beispielsweise auch eine Bestückung von Kontaktflächen der flexiblen Schaltungen mit zusätzlichen Bauelementen vorgesehen sein kann.
In 5 bis 7 ist detaillierter die Herstellung einer flexiblen Schaltungsanordnung mit von außen zugänglichen Kontaktflächen in der bevorzugten Ausführung nach 2 dargestellt.
Auf das starre Substrat SW ist in der Darstellung nach 5 bereits eine Schichtenfolge NF mit mehreren Isolierschichten und Leiterschichten abgeschieden. In der strukturierten Leiterschicht AS sind Anschlussflächen AF aus dem Material der Leiterschicht erzeugt. Als Material der Leiterschicht wird vorteilhafterweise Metall, insbesondere Kupfer oder Gold eingesetzt. Über der strukturierten Leiterschicht AS ist eine Isolierschicht NF abgeschieden, deren Oberfläche OF die der Trägerfläche TF zuweisende Oberseite der Schichtenfolge SF bildet.
Die Trägerfolie TF, welche sich bei einem Schaltungsverbund wie in 1 einheitlich über den gesamten Flächenbereich aller flexiblen Schaltungen FS, typischerweise über die gesamte Substratfläche erstreckt, ist im bevorzugten skizzierten Beispiel aus zwei Teilfolien gebildet und enthält der Schichtenfolge SF zuweisend eine Klebefolie KT, als erste Teilfolie und der Schichtenfolge abgewandt eine Verstärkungsfolie VF als zweite Teilfolie. Die der Schichtenfolge zuweisende Seite der ersten Folie sei als Innenseite TI der Trägerfolie TF, die von der Schichtenfolge weg weisende Seite der zweiten Teilfolie als Außenseite TA der Trägerfolie TF bezeichnet. Die Verstärkungsfolie VF kann gleichfalls als Klebefolie ausgeführt sein.
Nach Verbindung der Trägerfolie TF mit der Schichtenfolge SF werden, vorzugsweise mittels eines fokussierten Laserstrahls von der der Schichtenfolge SF abgewandten Außenseite TA der Trägerfolie TF her Durchbrüche DT durch die Trägerfolie TF erzeugt. Diese Durchbrüche DT sind auch durch die Isolierschicht NF der Schichtenfolge fortgesetzt bis zu den Anschlussflächen AF der strukturierten Leiterschicht AS der Schichtenfolge. Durch Abscheiden eines elektrisch leitenden Kontaktmaterials, insbesondere eines Metalls, vorzugsweise Kupfer oder Gold, werden in den Durchbrüchen DT Durchkontaktierungen KD und auf der Außenseite TA der Trägerfolie TF durch Strukturierung der Abscheidung des Kontaktmaterials Kontaktflächen KP erzeugt. Die Durchkontaktierungen KD bilden elektrische Verbindungen zwischen den Anschlussflächen AF der Leiterschicht AS und den Kontakten KP an der Außenseite der Trägerfolie. Durch die Herstellung der Durchkontaktierungen KD durch Metallabscheidung, insbesondere Aufsputtern und galvanisches Verstärken von Metall, wird eine besonders zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung der Durchkontaktierungen KD mit den Anschlussflächen AF erzielt. Die Durchkontaktierungen KD gehen bei der bevorzugten gleichzeitigen Erzeugung mit den Kontaktflächen KP materialhomogen in diese über. Da während der Strukturierung sowohl der Trägerfolie TF zur Erzeugung der Durchbrüche DT als auch der Kontaktmetallabscheidung zur Erzeugung der Kontaktflächen KP Trägerfolie und Schichtenfolge SF in unveränderter Position auf dem Substrat SW angeordnet sind, können sowohl die Durchbrüche DT als auch die Kontaktflächen KP und die mit diesen zusammen hängenden Durchkontaktierungen KD mit hoher Präzision bezüglich der x-y-Positionen der Anschlussflächen AF der Leiterschicht AS hergestellt werden.
Nach Fertigstellung der flexiblen Schaltungsanordnung in dem in 1 dargestellten Verbund können diese voneinander separiert werden, wofür Laserstrahlen oder wie in 8 angedeutet, Trennwerkzeuge CW Nuten NU von der Oberseite TA der Trägerfolie TF her bis zum Substrat SW erzeugen. Danach können die flexiblen Schaltungen FS vereinzelt von dem Substrat SW gelöst werden, wie in 8 links für eine der flexiblen Schaltungen durch Anheben in Richtung des Doppelpfeils angedeutet ist.
In anderer Ausführung kann auch das Substrat SW an den Positionen der Nuten NU vollständig durchtrennt werden und die flexiblen Schaltungsanordnungen FS können dann für die weitere Handhabung mit Teilen des Substrats verbunden bleiben und erst später als vereinzelte flexible Schaltungsanordnungen vom Substrat gelöst werden.
Die dermaßen vereinzelte flexible Schaltungsanordnung kann insbesondere als Bestandteil einer elektrischen Schaltungsanordnung auf einer Platine SP weiter benutzt werden, wofür die flexible Schaltungsanordnung mit der der Schaltungsplatine SP zuweisender Außenseite TA auf die Schaltungsplatine SP aufgebracht und mit dieser verbunden wird, wobei die Kontaktflächen KP der flexiblen Schaltungsanordnungen mit Gegenflächen GP auf der Schaltungsplatine SP elektrisch verbunden werden. Die Schaltungsplatine SP kann typischerweise noch weitere passive oder aktive Bauelemente BE, eine Batterie usw. enthalten.
In 10 ist detaillierter die in 4 dargestellte Variante skizziert, bei welcher auf einer einen Substratrahmen SR überspannenden Grundfolie GF eine Schichtenfolge SV erzeugt wird. Die Schichtenfolge SV enthält wiederum wenigstens eine strukturierte Leiterschicht, in welcher, typischerweise neben anderen Strukturen, Anschlussflächen VA ausgebildet sind. Die Anschlussflächen VA sind im in 10 skizzierten Beispiel durch eine isolierende erste Schicht DV der Schichtenfolge SV von der der Schichtenfolge zuweisenden Oberseite GO der Grundfolie GF getrennt. Die Isolierschicht DV ist vorzugsweise nicht strukturiert. Die Leiterschicht AV der Anschlussflächen VA kann auch direkt auf der Oberseite GO der Grundfolie abgeschieden werden.
Ausgehend von dem Fertigungszustand nach 10 mit fertiggestellter Schichtenfolge SV werden von der der Schichtenfolge abgewandten Unterseite GU der Grundfolie GF her Durchbrüche DG durch die Grundfolie GF erzeugt, wobei diese Durchbrüche DG auch durch die erste Isolierschicht DV der Schichtenfolge SV hindurchreichen bis zu den Anschlussflächen VA der Schichtenfolge SV. Auf der der Schichtenfolge SV abgewandten Unterseite GU, welche in 11 nach oben weist, wird eine die Kontaktflächen KV bildende strukturierte Leiterschicht, insbesondere Metallschicht erzeugt, welche wie im vorangegangenen Beispiel vorteilhafterweise auch zugleich die Durchkontaktierungen VD von den Kontaktflächen KV zu den Anschlussflächen VA bildet. In 11 sind in getrennten Abschnitten der Grundfolie GF unterschiedliche Verfahrensstadien vor und nach Erzeugung der Kontaktflächen KV und Durchkontaktierungen VD dargestellt. Beim Herstellungsprozess werden alle Durchbrüche vor Abscheiden des Kontaktmetalls hergestellt und das Kontaktmetall für alle Kontaktflächen und alle Durchkontaktierungen gleichzeitig abgeschieden.
Bei der Vereinzelung der im Verbund nach 1 gleichzeitig erzeugten flexiblen Schaltungsanordnungen werden diese wieder separiert, wobei bei der Variante nach 2 eine Haltekraft überwunden und/oder eine Trennschicht zwischen Substrat und Schichtenfolge aufgelöst wird. Bei den Ausführungsbeispielen mit Substratrahmen ergibt die Trennung entlang der Konturen der einzelnen flexiblen Schaltungsanordnungen bereits eine vollständige Separation der einzelnen flexiblen Schaltungsanordnungen ohne weiteren gegenseitigen Zusammenhalt.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer flexiblen Schaltungsanordnung, welche eine Schichtenfolge (SF) und eine mit einer Innenseite (TI) flächig an der Schichtenfolge anliegende und mit dieser verbundene isolierende Trägerfolie (TF) enthält, wobei – die Schichtenfolge (SF) mit wenigstens einer Isolierschicht und wenigstens einer strukturierten Leiterschicht (AS) mit Anschlussflächen (AP) abgeschieden wird – eine unstrukturierte nichtleitende Folie als Trägerfolie (TF) flächig mit der Schichtenfolge (SF) verbunden wird – in der Trägerfolie (TF) Öffnungen (DT) bis zu Anschlussflächen (AP) der strukturierten Leiterschicht (AS) erzeugt werden – auf der der Schichtenfolge abgewandten Außenseite (TA) der Trägerfolie (TF) Kontaktflächen (KP) und in den Öffnungen (DT) elektrische Durchkontaktierungen (KD) durch die Trägerfolie (TF) bis zu den Anschlussflächen (AP) erzeugt werden
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen auf der Außenseite der Trägerfolie gleichzeitig mit den Durchkontaktierungen hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie auf die Schichtenfolge auflaminiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerfolie eingesetzt wird, welche wenigstens teilweise durch eine Klebefolie gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche durch die Trägerfolie durch Einwirkung eines fokussierten Laserstrahls erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Leiterschicht strukturiert wird, während die Schichtenfolge auf einem starren Substrat gehalten ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie mit der Schichtenfolge verbunden wird, während die Schichtenfolge unverändert auf dem Substrat gehalten ist, und die die Trägerfolie und die Schichtenfolge enthaltende flexible Schaltungsanordnung nach Erzeugen der Kontaktflächen und Durchkontaktierungen von dem Substrat entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Durchbrüche durch die Trägerfolie dieselbe Positionierreferenz benutzt wird wie für die Strukturierung der Anschlussflächen der wenigstens einen Leiterschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge ganzflächig auf einem Substrat erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundfolie über einen Rahmen als starrem Substrat gespannt und auf dem Rahmen befestigt wird und die Schichtenfolge zumindest im Bereich der Rahmenöffnung auf der Grundfolie hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfolie als Trägerfolie verwendet wird und dass die Durchbrüche in der Deckschicht hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als die an der Trägerfolie anliegende Schicht der Schichtenfolge eine isolierende Deckschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht auch über den Anschlussflächen der wenigstens einen Leiterschicht erzeugt wird und bei der Erzeugung der Durchbrüche in der Trägerfolie diese Durchbrüche durch die Deckschicht bis zu den Anschlussflächen fortgesetzt werden.
Flexible Schaltungsanordnung enthaltend eine Schichtenfolge und eine flächig an der Schichtenfolge anliegende und mit dieser verbundene isolierende Trägerfolie wobei – die Schichtenfolge wenigstens eine Isolierschicht und wenigstens eine strukturierte Leiterschicht mit Anschlussflächen umfasst und – die Trägerfolie derart strukturiert ist, dass sie auf ihrer der Schichtenfolge abgewandten Außenseite Kontaktflächen aufweist, welche über Durch kontaktierungen durch Durchbrüche der Trägerfolie mit Anschlussflächen der Schichtenfolge elektrisch verbunden ist, – die Durchkontaktierungen durch die Trägerfolie als in den Öffnungen und unmittelbar auf den Anschlussflächen abgeschiedenem Kontaktmaterial ausgeführt sind.
Flexible Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmaterial der Durchkontaktierungen als einheitliche Schicht in den Kontaktflächen fortgesetzt ist.
Flexible Schaltungsanordnungen nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die eine als Deckschicht an der Trägerfolie anliegende Schicht der Schichtenfolge eine Isolierschicht ist.
Flexible Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussflächen in einer Leiterschicht ausgebildet sind, welche von der Trägerfolie zumindest durch die Deckfolie getrennt ist.
Flexible Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche durch die Trägerfolie als Öffnungen durch die Deckschicht fortgesetzt sind bis zu Anschlussflächen in der Schichtenfolge.
Flexible Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, da durch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie mit der Schichtenfolge verklebt ist.
Flexible Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge wenigstens zwei Leiter schichten enthält, welche durch wenigstens eine Isolierschicht als Trennschicht voneinander getrennt und über Durchkontaktierungen durch die Trennschicht elektrisch leitend verbunden sind.
Flexible Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge auf der Trägerfolie abgeschieden ist.
Flexible Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Isolierschichten der Schichtenfolge und/oder die Trägerfolie aus einem Polymer, insbesondere aus Polyimid bestehen.
Elektrische Schaltungsanordnung, welche auf einer Schaltungsplatine eine flexible Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 21 sowie Leiterbahnen und leitende Verbindungen zwischen den Leiterbahnen und Kontaktflächen der Trägerfolie enthält.