DE102012105765A1

DE102012105765A1 - Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Leiterbahnstruktur sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Leiterbahnstruktur

Info

Publication number: DE102012105765A1
Application number: DE102012105765A
Authority: DE
Inventors: Roman Ostholt; Wolfgang John; Robin Alexander Krüger; Bernd Rösener; Arne Schnoor
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2013-12-19
Also published as: WO2013189486A1; EP2862425A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahnstruktur (4) auf einem dielektrischen Trägermaterial (1). Dabei wird das Trägermaterial (1) zunächst mit einer flächigen Beschichtung (2) versehen. In der Beschichtung (2) sind nanoskalige Partikel enthalten, die als einen wesentlichen Materialanteil Metalloxide, beispielsweise Kupferoxide enthalten, die mit einem geeigneten Reduktionsmittel beschichtet sind. Anschließend wird die Beschichtung (2) selektiv einer elektromagnetischen Strahlung eines Lasers (3) ausgesetzt. Dadurch kommt es aufgrund der selektiven Strahlungseinwirkung zu einem Versintern von in der Beschichtung (2) enthaltenen oder in situ erzeugten Partikeln, wobei sich die Leiterbahnstruktur (4) ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Leiterbahnstruktur auf einem dielektrischen Trägermaterial. Weiterhin betrifft die Erfindung eine nach diesem Verfahren hergestellte Leiterbahnstruktur.
Ein solches Verfahren wird in der Praxis bei der Herstellung räumlicher, beispielsweise spritzgegossener Schaltungsträger bereits vielfach eingesetzt und zählt somit durch offenkundige Vorbenutzung zum Stand der Technik. Derart hergestellte Formteile mit integrierter Leiterbahnstruktur werden als "Molded Interconnect Devices" (MID) bezeichnet.
Die Vorteile der MID-Technik gegenüber klassischen Methoden der Schaltungsträgererzeugung liegen sowohl in der verbesserten Gestaltungsfreiheit und Umweltverträglichkeit als auch in einem Rationalisierungspotenzial bezüglich des Herstellungsprozesses des Endprodukts. Die verbesserte Gestaltungsfreiheit und die Integration von elektrischen und mechanischen Funktionen in ein Spritzgussteil können zu einer Miniaturisierung der Baugruppe führen. Außerdem können neue Funktionen realisiert und beliebige Formen gestaltet werden.
Bei dem bekannten Verfahren zur Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) wird ein thermoplastischer Kunststoff mit einem laseraktivierbaren Additiv dotiert. Ein Laserstrahl aktiviert im schreibenden Verfahren entsprechend dem Verlauf der späteren Leiterbahnstruktur das Additiv und erzeugt zugleich eine mikroraue Spur. Die Metallpartikel dieser Spur bilden die Keime für die nachfolgende Metallisierung. In einem stromlosen Kupferbad entstehen genau auf diesen Spuren die Leiterbahnschichten. Nacheinander lassen sich so Schichten aus Kupfer, Nickel und ein Goldfinish aufbringen. In der Praxis verursacht die Metallisierung einen erheblichen Anteil der Gesamtkosten des Herstellungsverfahrens.
Es ist ferner durch die US 7,820,097 B2 ein Verfahren bekannt, bei dem ein flaches Substrat, beispielsweise Papier oder Folie, mit einem Material enthaltend zumindest ein Metall, beispielsweise Kupfer, beschichtet wird, wobei das Material im Siebdruck-, Inkjet-Druck- oder Laserdruckverfahren auf das Substrat aufgebracht wird. Das Verfahren dient dabei dem Materialauftrag in Form hoch aufgelöster Muster. Die Materialstärke beträgt in mindestens einer Dimension weniger als 1 Mikrometer. Durch die vollflächige Bestrahlung des gesamten Materials mittels einer Blitz-Lampe während einer Dauer zwischen einer Mikrosekunde und hundert Millisekunden wird das Material auf dem Substrat reduziert und versintert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, das Verfahren weiter zu verbessern und den Herstellungsaufwand zu reduzieren. Insbesondere soll durch das Verfahren die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung dreidimensionaler Leiterbahnstrukturen wesentlich erhöht werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine nach diesem Verfahren hergestellte Leiterbahnstruktur zu schaffen.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem das Trägermaterial zumindest abschnittsweise mit zumindest einer flächigen Beschichtung versehen wird und die Beschichtung lediglich in einem Teilbereich einer selektiven elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt wird, sodass die Wirkfläche der elektromagnetischen Strahlung kleiner als die Beschichtungsfläche ist, um so aufgrund der selektiven Strahlungseinwirkung durch die eingebrachte Energie ein Versintern von in der Beschichtung enthaltenen oder in situ erzeugten Partikeln zu erreichen, welche auf diese Weise die gewünschte dreidimensionale Leiterbahnstruktur bilden.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung geht demnach aus von einem vollflächigen Auftrag der Beschichtung, beispielsweise als Lackauftrag, und einer selektiven elektromagnetischen Bestrahlung der Beschichtung. Ein wesentlicher Unterschied der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht insbesondere auch darin, dass der Auftrag der Beschichtung vollflächig auf nahezu beliebig konturierte, dreidimensionale Oberflächen erfolgen kann, während die Einwirkung auf die so geschaffene flächige dreidimensionale Beschichtung lediglich selektiv, also beschränkt auf bestimmte Flächenanteile erfolgt.
Indem die Beschichtung vorzugsweise als einen wesentlichen Materialanteil Metalloxide enthält, die in der Beschichtung vorhanden sind oder während der Bestrahlung erzeugt werden oder die als einen wesentlichen Materialanteil metallorganische Verbindungen aufweisen, wird durch die selektive elektromagnetische Strahlung die erforderliche Energie in die Beschichtung eingebracht, um die chemische Reaktion zwischen den in der Beschichtung enthaltenen oder entstandenen bzw. freigesetzten Reaktionspartnern lokal begrenzt auszulösen.
Beispielsweise werden dabei Metalloxide, insbesondere nanoskalige Kupferoxide mit einer geeigneten Ummantelung eines Reduktionsmittels als Beschichtung auf das Trägermaterial aufgebracht und selektiv also auf den Flächenanteil der herzustellenden Leiterbahnstruktur beschränkt, der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt, sodass das Metalloxid zu elementarem Metall reduziert wird. Dadurch entspricht die Einwirkungsfläche der elektromagnetischen Strahlung auf die Beschichtung der herzustellenden Leiterbahn.
Die Beschichtung erfüllt damit die Doppelfunktion als Reduktionsmittel einerseits und als Schutzschicht zur Vermeidung einer spontanen Versinterung der aktiven Teilchen andererseits.
Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltung der Erfindung wird auch durch eine elektrostatische Ladung der Metalloxide bzw. deren Beschichtung erreicht. Eine positive oder negative Ladung, welche durch die Einwirkung der elektromagnetischen Strahlung partiell aufgehoben wird, induziert durch Aufhebung der abstoßenden Kräfte die Versinterung der Partikel.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Abwandlung der vorliegenden Erfindung führen ergänzende Bestandteile der Beschichtung zu einer sterischen Hinderung und damit zu einer erheblichen Verzögerung der Reaktionen. Indem durch selektive Energiezufuhr mittels der elektromagnetischen Strahlung diese Bestandteile verändert werden, kommt es zu einer Aufgebung der sterischen Hinderung und damit zu der gewünschten Versinterung der metallischen Partikel.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders vorteilhaften Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Beschichtung solche Partikel enthalten, die zumindest in einer Richtung eine Erstreckung von weniger als 1 µm aufweisen. Hierdurch wird der Sinterprozess wesentlich begünstigt.
Als besonders praxisnah erweist sich dabei der Einsatz eines Lasers als elektromagnetische Strahlungsquelle, welcher sich aufgrund seiner optimalen Eignung für eine dreidimensionale schreibende Bearbeitung und seine problemlose Regelung der Leistung in Verbindung mit einer Steuerbarkeit des Energieeintrags für den gezielten Energieeintrag besonders eignet.
Der Auftrag der Beschichtung kann mittels an sich bekannter konturloser Verfahren realisiert werden, wobei der Beschichtungsprozess vorzugsweise in flüssiger Phase erfolgt. Alternativ kann die Beschichtung auch als Pulver aufgetragen werden. Eine besonders sinnvolle Ausgestaltung des Verfahrens für die dreidimensionale Beschichtung wird durch flächige Auftragsverfahren wie Sprühen, Tampondruck oder Tauchen realisiert.
Darüber hinaus ist auch eine ein- oder mehrmalige Wiederholung des Zyklus umfassend das Aufbringen der Beschichtung und der selektiven elektromagnetischen Bestrahlung zur Verstärkung der leitfähigen Schicht vorteilhaft realisierbar, um die Stärke der Leiterbahnstruktur zu erhöhen.
Bei einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Leiterbahnstruktur außenstromlos oder galvanisch nachverstärkt, um so gewünschte Leiterbahnstärken einstellen zu können und einen gezielten Schichtaufbau zu erreichen.
Wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vor dem Aufbringen der Beschichtung eine Zwischenschicht, insbesondere eine Haftvermittlerschicht, auf das Trägermaterial aufgetragen wird, kann der Anwendungsbereich auf nahezu beliebige Oberflächen erweitert und zudem die Haftfestigkeit wesentlich verbessert werden.
Alternativ können haftvermittelnde Komponenten der Beschichtung von vornherein zugesetzt werden. Insbesondere kann also in der Beschichtung ein Haftvermittler enthalten sein.
Besonders sinnvoll ist es zudem, wenn die nicht bestrahlten Bereiche der Beschichtung mittels eines wässrigen oder organischen Lösungsmittels entfernt und die nicht bestrahlten Materialanteile der Beschichtung gelöst werden, sodass diese zur Herstellung weiterer Beschichtungen wiederverwendet werden können. Hierdurch wird die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessert.
Die zweitgenannte Aufgabe, eine nach dem Verfahren hergestellte dreidimensionale Leiterbahnstruktur zu schaffen, wird vorzugsweise durch eine Antenne, einen Sensor oder eine elektromagnetische Abschirmung realisiert, wobei die Konturen der Leiterbahnstruktur dem beispielsweise als Formteil ausgeführten Trägermaterial optimal angepasst werden können.
Obwohl sich als Trägermaterial insbesondere in Verbindung mit einer Haftvermittlerschicht eine Vielzahl von Materialien eignen, haben sich bereits Trägermaterialien mit einem wesentlichen Materialanteil aus Polymeren, Gläsern und Keramik als besonders praxisnah erwiesen.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1a bis 1d eine Abfolge der Verfahrensschritte bei der Durchführung des Verfahrens.
Nachfolgend wird anhand der 1a bis 1d das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Leiterbahnstruktur 4 auf einem dielektrischen Trägermaterial 1 dargestellt, wobei zur besseren Übersichtlichkeit abweichend von dem bevorzugten Einsatzzweck in der 1a kein dreidimensionales, sondern ein flaches Trägermaterial 1 dargestellt ist.
Wie in 1b zu erkennen ist, wird das Trägermaterial 1 zunächst mit einer flächigen Beschichtung 2 versehen. In der Beschichtung 2 sind Partikel enthalten, die als einen wesentlichen Materialanteil Metalloxide enthalten. Beispielsweise eignen sich hierzu nanoskalige Kupferoxide, die mit Reduktionsmitteln partiell oder vollständig umhüllt sind. Zum Auftragen der Beschichtung 2 wird beispielsweise ein hier nicht näher dargestelltes Sprühverfahren eingesetzt.
In dem in 1c dargestellten nächsten Schritt wird die Beschichtung 2 selektiv einer elektromagnetischen Strahlung eines Lasers 3 ausgesetzt – Dadurch kommt es aufgrund der selektiven Strahlungseinwirkung zu einem Versintern von in der Beschichtung 2 enthaltenen oder in situ erzeugten Partikeln, wobei sich die Leiterbahnstruktur 4 entsprechend dem Strahlungseintrag des Lasers 3 ausbildet.
Schließlich werden, wie in 1d ersichtlich, die nicht bestrahlten Bereiche der Beschichtung 2 mittels eines wässrigen oder organischen Lösungsmittels entfernt. Obwohl die so geschaffene Leiterbahnstruktur 4 für eine Vielzahl typischer Einsatzzwecke geeignet ist, kann die Leiterbahnstruktur 4 beispielsweise außenstromlos oder galvanisch verstärkt werden. Selbstverständlich kann der Zyklus mit dem Aufbringen der Beschichtung 2 und der selektiven Bestrahlung ebenfalls wiederholt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7820097 B2 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Leiterbahnstruktur (4) auf einem dielektrischen Trägermaterial (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) zumindest abschnittsweise mit einer flächigen Beschichtung (2) versehen wird und dass die Beschichtung (2) in einem Teilbereich einer selektiven elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt wird, sodass es aufgrund der selektiven Strahlungseinwirkung zu einem Versintern von in der Beschichtung (2) enthaltenen oder in situ erzeugten Partikeln kommt und so die dreidimensionale Leiterbahnstruktur (4) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Beschichtung (2) enthaltenen Partikel – als einen wesentlichen Materialanteil Metalloxide enthalten, die nach oder während der Bestrahlung reduziert werden, – als einen wesentlichen Materialanteil aus metallorganischen Verbindungen bestehen, – Bestandteile enthalten, die elektrisch oder elektrostatisch aufgeladen sind und/oder – Bestandteile enthalten, die sterisch gehindert sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel zumindest in einer Richtung eine Erstreckung von weniger als 1 µm aufweisen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) der elektromagnetischen Strahlung eines Lasers (3) ausgesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) durch Sprühen, Drucken oder Tauchen auf das Trägermaterial (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnstruktur (4) außenstromlos und/oder galvanisch nachverstärkt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Beschichtung (2) eine Zwischenschicht, insbesondere eine Haftvermittlerschicht, auf das Trägermaterial (1) aufgetragen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht bestrahlten Bereiche der Beschichtung (2) insbesondere mittels eines wässrigen oder organischen Lösungsmittels entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht bestrahlten Materialanteile der Beschichtung (2) gelöst und wiederverwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) ein Reduktionsmittel als einen Materialbestandteil und/oder mindestens eine Beschichtung mit einem Reduktionsmittel aufweist.
Leiterbahnstruktur (4) hergestellt nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche.
Leiterbahnstruktur (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Leiterbahnstruktur (4) einer Antenne, eines Sensors oder einer elektromagnetischen Abschirmung ist.