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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur auf einem Trägerelement nach den Oberbegriffen der beiden unabhängigen Ansprüche. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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In der
DE 10 2011 077 450 A1 der Anmelderin ist es vorgesehen, dass oberhalb eines Trägerelements in Form eines Substrats in Anlage mit dem Trägerelement ein Maskenelement angeordnet wird, in dem ein Durchbruch ausgebildet ist. Auf dem Maskenelement ist ein Opferelement in Form einer metallischen Folie angeordnet. Von der dem Trägerelement abgewandten Seite des Opferelements wirkt eine Laserstrahlquelle auf das Opferelement ein, deren Laserstrahl ein Verdampfen der metallischen Partikel des Opferelements bewirkt. Die verdampften Partikel gelangen durch den Durchbruch auf das Trägerelement und werden dort auf die Oberfläche abgeschieden, um die elektrisch leitende Struktur auszubilden.
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Das aus der genannten Schrift bekannte Verfahren bzw. die dort offenbarte Anordnung weist einige Nachteile auf, die insbesondere die Wirtschaftlichkeit des bekannten Verfahrens betreffen: So ist es aufgrund des beschriebenen Prinzips lediglich möglich, einen Teil der Opferfolie bzw. des Opferelements zum Ausbilden der elektrisch leitenden Struktur auf dem Trägerelement zu nutzen, und zwar den Teil, der in Überdeckung mit dem Durchbruch angeordnet ist. Insbesondere muss nach jedem Metallisierungsvorgang eine neue Opferfolie bzw. ein neues Opferelement verwendet werden und über 90% der genutzten Opferfolie muss dem Recycling zugeführt werden. Ebenso muss das Maskenelement nach einigen Metallisierungsvorgängen aufgearbeitet oder ersetzt werden, da sich ein Teil des metallischen Sprays aus dem Opferelement an den Maskenwänden der Durchbrüche festsetzt und somit die Maskenfunktion beeinträchtigt und die Geometrie der Durchbrüche bzw. der Maskenwände maßgeblich für die Geometrie der Struktur ist. Darüber hinaus wird als nachteilhaft angesehen, dass durch den direkten Anlagekontakt des Maskenelements auf der Oberseite des Trägerelements dafür gesorgt werden muss, dass die Oberfläche des Trägerelements durch das Maskenelement nicht zu sehr mechanisch beansprucht bzw. sogar beschädigt wird.
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Die
DE 100 51 850 A1 offenbart ein Druckverfahren zur Übertragung von Drucksubstanz von einem Farbträger auf einen Bedruckstoff.
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Aus der
JP 2009 231394 A ist ein Verfahren zur Ausbildung einer Verdrahtung auf einem Substrat mit einem Draht als Opfermaterial bekannt. Die
US 2008/0139075 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Reparatur von mikroelektronischen Schaltungen mittels Lasertransfer von metallbeschichteten Folien.
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Aus der
DE 10 2011 077 462 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle bekannt, wobei als Opfermaterial metallbeschichtete Folien oder drahtartige Profilmaterialien in Folien sein können. Die DE 10 2011 077 462 A1 zeigt die Merkmale der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 6.auf einem Substrat bekannt. Die
US 2008/0139075 betrifft eine Vorrichtung zur Reparatur von mikroelektronischen Schaltungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur auf einem Trägerelement nach den Oberbegriffen der beiden unabhängigen Ansprüche derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Wirtschaftlichkeit beim Herstellen der elektrisch leitenden Struktur erzielbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Material des als Folie ausgebildeten Opferelements innerhalb des wenigstens einen Durchbruchs angeordnet und auf der dem Trägerelement zugewandten Seite des Durchbruchs erhitzt wird. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die erhitzten bzw. verdampften Partikel des Opferelements nicht mehr oder zumindest nur in geringem Maß in Wirkverbindung mit dem Durchbruch gelangen, so dass eine verbesserte Nutzung des Maskenelements ermöglicht wird. Voraussetzung dafür ist, dass sich das Opferelement im Bereich des Durchbruchs befindet.
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Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur auf einem Trägerelement ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Heizeinrichtung dazu ausgebildet ist, das Opferelement im Bereich des wenigstens einen Durchbruchs auf der dem Trägerelement zugewandten Mündungsbereich des wenigstens einen Durchbruchs zu erhitzen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur auf einem Trägerelement sind in den jeweiligen Unteransprüchen angeführt.
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In bevorzugter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung ist es vorgesehen, dass das Maskenelement in einem Abstand zum Trägerelement positioniert wird. Dadurch ist sichergestellt, dass kein direkter Anlagekontakt zwischen dem Trägerelement und dem Maskenelement erfolgt, so dass das Trägerelement an seiner dem Maskenelement zugewandten Oberseite durch das Maskenelement mechanisch nicht beansprucht wird.
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Bei einer ganz bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Opferelement in Ausrichtung mit dem wenigstens einen Durchbruch durch den wenigstens einen Durchbruch in Richtung des Trägerelements bewegt wird. Ein derartiges Verfahren bewirkt, dass das gesamte Material des Opferelements zur Ausbildung der elektrisch leitenden Struktur(en) verwendet werden kann, da im Gegensatz zum eingangs erwähnten Stand der Technik beim Verdampfen der Partikel aus dem Opferelement keine Schlitze ausgebildet werden und das restliche Material nicht zur Nutzung zur Verfügung steht.
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Ganz besonders bevorzugt ist es weiterhin, wenn das Erhitzen bzw. Verdampfen des Materials des Opferelements mittels Laserstrahlung erfolgt, und wenn als Material für das Maskenelement ein Material verwendet wird, das zumindest im Bereich des wenigstens einen Durchbruchs für die Laserstrahlung transparent ist. Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass eine örtlich gezielte Erwärmung des Opferelements im Durchbruch im Bereich der Mündung zum Trägerelement hin erfolgen kann, ohne dass beispielsweise das Maskenelement und/oder das Opferelement an anderen Stellen erwärmt bzw. erhitzt wird. Dies hat wiederum den Vorteil, dass lediglich eine relativ geringe Energiemenge für das Verfahren erforderlich ist, da diese ausschließlich zum Erhitzen/Verdampfen des Materials für das Opferelement verwendet werden muss.
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Die Leistung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darüber hinaus erhöht werden, wenn das Material des Opferelements von zwei gegenüberliegenden Seiten des Opferelements gleichzeitig erhitzt und verdampft wird. Weiterhin findet dadurch eine besonders homogene Erhitzung/Verdampfung des Materials des Opferelements statt, so dass die elektrisch leitende Struktur besonders genau ausgebildet werden kann.
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Bei einer bevorzugten Anordnung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Durchbruch in dem Maskenelement zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer parallel zu dem Trägerelement angeordneten Ebene ausgerichtet ist, und dass das Opferelement innerhalb des wenigstens einen Durchbruchs lediglich mit geringem Führungsspiel angeordnet ist. Eine derartige Ausbildung der Anordnung bewirkt eine besonders genaue Führung des Opferelements und somit auch die Möglichkeit einer hochpräzisen Ausbildung der leitenden Struktur.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung ist es vorgesehen, dass das Opferelement als eine strukturierte bzw. mit einer Struktur versehene Folie ausgebildet ist, um eine Abscheiderate und/oder einen Eintrittwinkel der Laserstrahlung in das Opferelement einzustellen. Eine derartige Ausbildung der Folie bzw. des Opferelements bewirkt eine verbesserte Ablösung der metallischen Partikel bzw. der Metallschmelze von der Folie und erhöht die Prozessstabilität. Insbesondere kann durch die Wahl der Profilierungsgeometrie bzw. der Strukturierung das Volumen der abzuscheidenden metallischen Partikel aus der Folie eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil der strukturierten Folie liegt darin, dass durch die Strukturierung/Profilierung der Laserstrahl unter einem für das Metallisierungsprinzip vorteilhaften Winkel auf die Folie treffen kann. Die Abtrennung der metallischen Partikel aus der Folie erfolgt durch den Dampfdruck, der beim Erhitzen durch die Laserstrahlung entsteht. Durch Einstellung der Profilierung/Strukturierung und damit dem relativen Winkel zwischen dem Laserstrahl und der Folie lässt sich die Rückstoßrichtung des Dampfdrucks einstellen. Insbesondere kann dadurch die Abscheiderichtung und die Abscheidegeschwindigkeit der metallischen Partikel in gewünschter Art und Weise beeinflusst werden.
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Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung kann es vorgesehen sein, dass die Laserstrahleinrichtung derart ausgebildet ist, dass wenigstens zwei Laserstrahlen vorgesehen sind, um ein Opferelement von verschiedenen Seiten und/oder mehrere Opferelemente gleichzeitig zu erhitzen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung sieht vor, dass wenigstens ein optisches Element, vorzugsweise im Bereich des Maskenelements, vorgesehen ist, das dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung zu fokussieren. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, durch Verwendung vorzugsweise von Linsen oder diffraktiven Elementen als optisches Element, den Fokusdurchmesser der Laserstrahlung zu reduzieren. Insbesondere fokussieren die einzelnen optischen Elemente die Laserstrahlung derart, dass die Energiedichte der Laserstrahlung ausreicht, um die Folie zu erhitzen/verdampfen. Die dafür notwendige Energiedichte kann erreicht werden, indem entweder die Laserpulsenergie vergrößert wird, oder, wie vorgeschlagen, der Fokusdurchmesser der Laserstrahlung verringert wird. Insbesondere kann durch die Wahl einer entsprechenden großen Brennweite des Scannerobjektivs die komplette Oberfläche des Trägerelements in einer Überfahrt metallisiert werden. Derartige optische Elemente können jedoch bei Verwendung eines entsprechend leistungsstarken Lasers auch dazu verwendet werden, zueinander benachbarte optische Elemente gleichzeitig zu überfahren, um die Prozessgeschwindigkeit zu erhöhen. Dabei dienen die optischen Elemente dazu, einen Laserstrahl bzw. das Laserlicht aufzuteilen, um auf verschiedene Opferelemente einwirken zu können.
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Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung von Leiterbahnen auf Schaltungsträgern. Insbesondere ist dabei an Substrate oder flexible Trägerfolien als Schaltungsträger gedacht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur auf einem Trägerelement in einer perspektivischen Ansicht,
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2 einen Teilbereich der Anordnung gemäß 1 in einem Längsschnitt und
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3 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich in einer gegenüber 1 modifizierten Anordnung.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 100 zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Struktur 1 auf einem Trägerelement 10 dargestellt. Bei dem Trägerelement 10 kann es sich beispielsweise, und nicht einschränkend, um ein Substrat, eine Leiterplatte, eine flexible Folie oder ähnliches handeln, und bei der Struktur 1 handelt es sich insbesondere um eine Leiterbahn bzw. um eine Struktur von Leiterbahnen zur Kontaktierung von elektronischen Bauelementen, die auf dem Trägerelement 10 in einem nachfolgenden Fertigungsschritt angeordnet werden.
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Die Anordnung 100 weist ein Auflageelement 11 zum Auflegen des im Bearbeitungsbereich ebenen Trägerelements 10 auf. In einem Abstand A zur Oberseite 12 des Trägerelements 10 ist ein Maskenelement 15 angeordnet. Das Maskenelement 15, das im dargestellten Ausführungsbeispiel plattenförmig ausgebildet ist, ist parallel zur Oberseite 12 des Trägerelements 10 angeordnet. Das Maskenelement 15 besteht aus einem für Laserstrahlung durchlässigen Material, beispielsweise aus Glas. In dem Maskenelement 15 ist zur Ausbildung der Struktur 1 wenigstens ein Durchbruch 16, im dargestellten Ausführungsbeispiel drei, parallel zueinander angeordnete, jeweils schlitzförmige Durchbrüche 16 ausgebildet. Die Form und Anordnung der Durchbrüche 16 ist der auszubildenden Struktur 1 angepasst.
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In die Durchbrüche 16 ist jeweils ein Opferelement 17 in Form einer zumindest im Wesentlichen aus Metall bestehenden Folie 18 eingeführt. Die Opferelemente 17 sind innerhalb der Durchbrüche 16 mit minimalem Führungsspiel zu den Seitenwänden der Durchbrüche 16 angeordnet, wobei die Durchbrüche 16 zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Oberseite 12 des Trägerelements 10 angeordnet sind. Die Opferelemente 17 bzw. Folien 18 wirken einerseits mit dem Ausführungsbeispiel geradlinig ausgebildeten Führungselementen in Form von Führungsplatten 19, 20 zusammen, und andererseits mit Vorschubmitteln in Form von Vorzugswalzen 21, 22, die dazu ausgebildet sind, die Folien 18 in Richtung des Trägerelements 10 durch die Durchbrüche 16 entsprechend einer Abscheiderate der Opferelemente 17 hindurch zu fördern. Der Einfachheit halber sind die Führungsschienen 19, 20 sowie die Vorzugswalzen 21, 22 in der 1 lediglich für ein Opferelement 17 bzw. eine Folie 18 dargestellt. Derartige Mittel sind jedoch für alle Opferelemente 17 bzw. Folien 18 vorgesehen.
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Weiterhin umfasst die Anordnung 100 wenigstens eine Laserstrahleinrichtung 25 zum Erzeugen wenigstens eines Laserstrahls 26, 27. In der Darstellung der 1 sind im Bereich einer Folie 18 zwei Laserstrahlen 26, 27 dargestellt, die jeweils in einem schrägen Winkel α von weniger als 90° auf das Maskenelement 15 von verschiedenen Seiten her auftreffen, derart, dass die Laserstrahlen 26, 27 im Mündungsbereich 28 des entsprechenden Durchbruchs 16 auf das Material des Opferelements 17 einwirken und dieses derart über dessen Schmelztemperatur erhitzen, dass eine Verdampfung stattfindet, die dazu führt, dass das Material des Opferelements 17 aufgrund des Dampfdrucks unter Überbrückung des Abstandes A zwischen dem Maskenelement 17 auf die Oberseite 12 des Trägerelements 12 auftrifft und sich dort abscheidet.
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Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, auch für die beiden anderen Opferelemente 17 entsprechende Laserstrahlen 26, 27 vorzusehen, damit mittels der Laserstrahleinrichtung 25 alle Opferelemente 17 gleichzeitig bearbeitet bzw. deren Material erhitzt und verdampft werden kann. Darüber hinaus kann es entweder vorgesehen sein, dass zur Ausbildung der Struktur 1 entweder das Trägerelement 10 und das Maskenelement 15 ortsfest angeordnet sind, und die Laserstrahlen 26, 27, insbesondere durch eine entsprechende optische Einrichtung, entlang des Maskenelements 15 im Bereich des Durchbruchs 16 bewegt werden. Alternativ dazu ist es auch denkbar, das Trägerelement 10 und/oder das Maskenelement 15 bei ortsfest angeordneten Laserstrahlen 26, 27 durch nicht dargestellte Verstellmittel zu bewegen.
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Beim Erhitzen bzw. Verdampfen des Materials des Opferelements 17 wird durch eine entsprechende Ansteuerung der Vorzugwalzen 21, 22 bewirkt, dass entsprechend der Verdampfungs- bzw. Abscheiderate des Materials des Opferelements 17 stets genügend Material des Opferelements 17 zur Ausbildung der Struktur 1 zur Verfügung steht.
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In der 2 ist eine gegenüber der 1 modifizierte Folie 18a mit einer Strukturierung 30 dargestellt, wohingegen die Folie 18 eine unstrukturierte bzw. glatte Oberfläche aufweist. Die Strukturierung 30 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel regelmäßig zueinander angeordnete, zahn- bzw. zackenartig ausgebildete Abschnitte 31, die derart zu den Laserstrahlen 26, 27 angeordnet bzw. ausgerichtet sind, dass sich ein gegenüber einer glatten Folie 18 geänderter Eintrittswinkel der Laserstrahlen 26, 27 in das Material der Folie 18a ergibt. Insbesondere wird dadurch die Abscheiderate bzw. der entstehende Dampfdruck beim Verdampfen des Materials des Opferelements 17, bzw. der Folie 18a beeinflusst.
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In der 3 ist eine modifizierte Anordnung 100 dargestellt, bei der im Bereich des Maskenelements 15 parallel zu den Durchbrüchen 16 angeordnete optische Elemente 33 angeordnet bzw. integriert sind. Die optischen Elemente 33 bewirken im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Aufteilung jeweils eines Laserstrahls 26a, 27a in zwei Teillaserstrahlen 34 bis 37, derart, dass die beiden Teillaserstrahlen 34, 35 bzw. 36, 37 von unterschiedlichen Seiten her auf jeweils zwei parallel zueinander angeordnete Folien 18a einwirken. Eine derartige Verwendung von optischen Elementen 33 ermöglicht es darüber hinaus, die Laserstrahlen 26a, 27a im Bereich der Folien 18a parallel zu diesen zu führen.
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Die soweit beschriebene Anordnung 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
