DE102015001652A1

DE102015001652A1 - Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung bei einer Mehrlagen-Leiterplatte

Info

Publication number: DE102015001652A1
Application number: DE102015001652.0A
Authority: DE
Inventors: Johann Hackl; Stefan Hörth; Norbert Redl
Original assignee: Hausermann GmbH
Current assignee: Hausermann GmbH
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-08-18
Also published as: WO2016128127A1; EP3257335A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung zwischen ober- und unterseitig angeordneten Leiterbahnen bei einer Mehrlagen-Leiterplatte, welche aus einem Leiterplattenmaterial und mindestens einem in den Verbund der Mehrlagen-Leiterplatte eingebetteten Kupferprofil besteht, wobei die Durchkontaktierung durch folgende Verfahrensschritte hergestellt wird: • Herstellen einer ersten Bohrung mit einem ersten Bohrdurchmesser durch die Mehrlagen-Leiterplatte mit Durchbohrung der ober- und unterseitigen Leiterbahn und des eingebetteten Kupferprofils; • Füllen der ersten Bohrung mit einem isolierenden Füllmaterial; • Herstellen einer zweiten Bohrung koaxial zur ersten Bohrung mit einem zweiten, kleineren Bohrdurchmesser als der Bohrdurchmesser der ersten Bohrung; • Auskleidung der Bohrungswand der zweiten Bohrung mit einem elektrisch leitfähigen Material und derart die elektrische Kontaktierung der ober- und unterseitigen Leiterbahnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung bei einer Mehrlagen-Leiterplatte nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Unter einer Durchkontaktierung (vertical interconnect access, abgekürzt VIA) versteht die vorliegende Erfindung eine vertikale elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnebenen einer Leiterplatte. Im einfachsten Fall werden in eine Bohrung einer doppelseitigen Platine Drahtstifte bzw. Hohlnieten eingesetzt.
Durchkontaktierte Leiterplatten liefern einen besseren Halt und zuverlässigere Verbindung bedrahteter Bauteile. Neben der Verbindung der einzelnen Schichten der Leiterplatte sorgen die metallisierten Durchkontaktierungen für einen besseren Zusammenhalt der Leiterplatte.
Mit Hilfe von Durchkontaktierungen ist es möglich, die Leiterebenen in zwei- oder mehrlagigen Leiterplatten zu wechseln, was eine Voraussetzung für das Entflechten von komplexen Schaltungen ist.
Kleinere Durchkontaktierungen (Micro-Via) werden bei der Leiterplattenherstellung mit beispielsweise einem Laser gebohrt. Größere Durchkontaktierungen werden bevorzugt gebohrt bzw. gefräst, wobei hiermit auch andere Geometrien (beispielsweise Langlöcher) herstellbar sind.
Ein Verfahren zur Erstellung einer chemiefreien (Galvanik-freien) Durchkontaktierung nach dem Stand der Technik stellt beispielsweise das Polymer-Through-Hole Verfahren dar, bei dem Silber- oder Kupferpasten mittels Vakuum oder Stiften durch bzw. in Löcher gebracht werden.
Weitere Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung sind galvanisches Durchkontaktieren, Leitpaste, Nieten oder ein beidseitiges Verlöten.
Wesentlicher Nachteil bei den Verfahren nach dem Stand der Technik ist, dass diese bisher nicht für Mehrlagenleiterplatten mit integrierten (embedded) Dick-Kupferprofilen anwendbar sind, bei denen das Dick-Kupferprofil nicht elektrisch nicht mit der Durchkontaktierung verbunden werden soll. Insbesondere bei Kupferprofilen breiten mit Dicken von > 200 μm, insbesondere Dicken > 500 μm und Kupferprofilbreiten von etwa 0,5 mm bis 12 mm ist ein Erstellen einer Durchkontaktierung mit dem Ätzverfahren nicht mehr möglich.
Ein weiterer Nachteil bei den erstellten Durchkontaktierungen nach dem Stand der Technik besteht darin, dass es im Bereich der Bohrung bei einer mehrlagigen Leiterplatte zu einer elektrischen Verbindung zwischen den einzelnen Kupferlagen kommt, da diese durch den Bohrvorgang freigelegt werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erstellung einer Durchkontaktierung bei einer Mehrlagen-Leiterplatte so weiterzubilden, dass eine Durchkontaktierung auch bei Mehrlagenleiterplatten mit einem breiten Dick-Kupferprofil erstellt werden kann. Ferner soll eine nach dem Verfahren hergestellte Mehrlagen-Leiterplatte eine zuverlässige und betriebssichere Durchkontaktierung aufweisen ohne dass das Dick-Kupferprofil mit der Durchkontaktierung elektrisch verbunden ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Durchkontaktierung weist folgende Verfahrensschritte auf:

• Herstellen einer ersten Bohrung mit einem ersten Bohrdurchmesser durch die Mehrlagen-Leiterplatte mit Durchbohrung der ober- und unterseitigen Leiterbahn und des eingebetteten Kupferprofils;
• Füllen der ersten Bohrung mit einem isolierenden Füllmaterial;
• Herstellen einer zweiten Bohrung koaxial zur ersten Bohrung mit einem zweiten, kleineren Bohrdurchmesser als der Bohrdurchmesser der ersten Bohrung;
• Auskleidung der Bohrungswand der zweiten Bohrung mit einem elektrisch leitfähigen Material und elektrische Kontaktierung der ober- und unterseitigen Leiterbahnen.

Bevorzugt erfolgt vor der galvanischen Durchkontaktierung noch eine sog. Bekeimung im Sinne einer geringen elektrischen Leitfähigkeit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte kann beispielsweise ein:

• Herstellen von Leiterbahnen oberhalb der Durchkontaktierungen;
• Prüfen der Leiterplatte;
• Vereinzeln der Leiterplatte erfolgen.

Mit dem erfindungswesentlichen Verfahren ist es erstmals möglich durch ein relativ breites Kupferprofil, welches eine Breite zwischen 2 und 12 mm hat, ein fremdes Potential hindurchzuführen.
Um solch ein fremdes Potential durch ein derartiges Kupferprofil durchführen zu können, ist ein mindestens zweimaliges Bohren in ein bereits gepluggtes Loch notwendig. Es wird ein Loch-im-Loch Verfahren durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren hat unter anderen den Vorteil, dass durch das Füllmaterial im Bereich der Bohrung eine isolierende Schicht vorhanden ist, welche das durchgeführte Potential gegenüber weiteren Kupferbahnen, die im Bereich der Mittellage der Leiterbahn angeordnet sind, isoliert.
Des Weiteren ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, ein fremdes Potential durch eine Leiterplatte mit mindestens einem Kupferprofil durchzuführen.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
1A: Schematische Darstellung von Durchkontaktierungen nach dem Stand der Technik
2: schematische Darstellung eines Pressvorganges
3: schematische Darstellung eines Bohrvorganges der gepluggten Löcher im Kupferprofil
4: schematische Darstellung des Verfüllvorganges der Löcher im Kupferprofil
5: schematische Darstellung des Bohrvorganges
6: schematische Darstellung des Verkupferungsvorgangs
7: Schematischer Querschnitt einer Mehrlagen-Leiterplatte mit einer Durchkontaktierung
8: Schematische Draufsicht eine Mehrlagen-Leiterplatte mit einer Durchkontaktierung
9a: Schematischer Querschnitt eine Mehrlagen-Leiterplatte mit einer Durchkontaktierung durch zwei Dick-Kupferprofile ohne elektrische Kontaktierung
9b: Schematische Draufsicht eine Mehrlagen-Leiterplatte mit einer Durchkontaktierung durch zwei Dick-Kupferprofile ohne elektrische Kontaktierung
Die 1 zeigt eine Mehrlagen-Leiterplatte 1 mit verschiedenen Durchkontaktierungen gemäß dem Stand der Technik. Die Leiterplatte 1 besteht aus einem üblichen Leiterplattenbasismaterial 6, welches beispielsweise FR-4 ist. Als Leiterplattenmaterial 6 ist ebenso FR-2, FR-3, FR-4-Low-Tg, CEM-1 CEM-x, PI, CE, Aramid oder andere Substratmaterialen möglich.
Die Leiterbahnstruktur 8, 8', 8'' kann beispielsweise aus einer geätzten Kupferschicht bestehen, wobei die Kupferauflage bei einem ein- oder zweiseitigem Material üblicherweise 18 μm oder 35 μm dick ist.
Gemäß der 1 sind drei verschiedene Durchkontaktierungen 2, 3, 4 dargestellt. Erstreckt sich die Durchkontaktierung in vertikaler Richtung durch die gesamte Leiterplatte 1, so wird dies als Durchgangsbohrung 2 (through hole) bezeichnet. Reicht die Durchkontaktierung nicht durch die ganze Leiterplatte 1, sondern nur bis zu einer der Mittellagen 7 nennt man dies ein blind via 3. Ein Blind Via verbindet somit eine Außenlage mit einer oder mehreren Mittellagen 7 (Innenlagen). Befinden sich Durchkontaktierungen lediglich zwischen den Mittellagen 7, so heißen diese buried via 4. Ein Buried Via ist daher eine Durchkontaktierung zwischen mindestens zwei Innenlagen, die von den Außenlagen aus nicht sichtbar ist. Diese Technologie ermöglicht mehr Funktionalität auf geringer Leiterplattenfläche unterzubringen (Packungsdichte) Um die Durchkontaktierung 2, 3 ist ein umlaufenden Kupferring angeordnet, welcher durch einen vorhergehende Verkupferungsprozess entstanden ist. Dieser Kupferring wird auch als Restring (eng. Annular Ring) bezeichnet.
Ein wesentlicher Nachteil bei der Durchkontaktierung 2, 3, 4 gemäß dem Stand der Technik ist, dass durch die Verkupferung 15 der gesamten Durchgangsbohrung 2 es im Bereich der Leiterbahnen 8 und des Kupferprofils 5 kommt. Diese Kontaktierung sollte daher vermieden werden.
Mit der 2 wird schematisch der erfindungsgemäße Aufbau einer Leiterplatte 1 dargestellt. Bei der Ansicht gemäß der 2 handelt es sich um einen Querschnitt durch das Profil einer mehrlagigen Leiterplatte 1. Im Verbund der Mehrlagen-Leiterplatte 1 ist mindestens ein Kupferprofil 5 eingebettet.
Auf der Oberfläche der Leiterplatte 1 ist mindestens eine Leiterbahnen 8' und auf der Unterseite mindestens eine weitere Leiterbahn 8'' angeordnet. Um die beiden Leiterbahnen 8', 8'' miteinander zu verbinden, muss mit einem Potential von der Oberseite auf die Unterseite durch das Profil der Leiterplatte 1 durch gefahren werden. Hierfür ist eine Durchkontaktierung 2 notwendig.
Die 3 zeigt die Leiterplatte 1 der 2, in welche bereits eine erste (Durchgangs-)Bohrung 9 mit einem relativ großen Lochdurchmesser 11 erstellt wurde. Die erste Bohrung 9 hat beispielsweise einen Lochdurchmesser von etwa 0,5 mm und erstreckt sich durch das gesamte Profil der Leiterplatte 1. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Durchgangsbohrung beschränkt. Alle erfindungsgemäßen Verfahrensschritte können ebenfalls bei einem blind via 3 oder buried via 4 angewendet werden.
Die 4 zeigt die erste Bohrung 9, welche mit einem isolierenden Füllmaterial 12 ausgefüllt ist. Das Füllmaterial 12 besteht beispielsweise aus z. B. Kunststoff, Metall oder Lot und füllt bevorzugt die gesamte erste Bohrung 9 aus.
Anhand der 5 wird der nächste Verfahrensschritt gezeigt. Nach dem Füllen der ersten Bohrung 9 mit dem isolierenden Füllmaterial 12 findet im koaxialen Bereich der ersten Bohrung 9 ein weiterer, zweiter Bohrvorgang statt, mit welchem eine zweite Bohrung 14 mit einem Lochdurchmesser 13 hergestellt wird. Beide Bohrungen 9 und 14 weisen hierbei bevorzug die gleiche Mittellinie 10 auf. Es ist jedoch auch möglich, dass z. B. die Bohrung 14 außerhalb der Mittellinie 10 der Bohrung 9 angeordnet ist.
Wichtig ist, dass der zweite Lochdurchmesser 13 der zweiten Bohrung 14 kleiner ist, als der erste Lochdurchmesser 11 der ersten Bohrung 9. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Lochdurchmesser 13 um zumindest 1/10 kleiner als der erste Lochdurchmesser 11.
Folgende Lochdurchmesser 11 und 13 sind beispielsweise möglich:

• 0,5 mm für den ersten Lochdurchmesser 11 und 0,3 mm für den zweiten Lochdurchmesser 13;
• 0,4 mm für den ersten Lochdurchmesser 11 und 0,2 mm für den zweiten Lochdurchmesser 13;
• 0,6 mm für den ersten Lochdurchmesser 11 und 0,4 mm für den zweiten Lochdurchmesser 13.

Die Verhältnisse der beiden Durchmesser 11, 13 der ersten und zweiten Bohrungen 9, 14 werden bevorzugt so gewählt, dass stets im Bereich der Durchgangsbohrung 2 ein Randbereich 18 des isolierenden Füllmaterials 12 stehen bleibt. Der Randbereich 18 dient somit als isolierende Schicht, welche sich durch das gesamte Profil der Leiterplatte 1 erstreckt.
6 zeigt die Auskleidung der Bohrungswand der zweiten Bohrung 14 mit einem elektrisch leitfähigen Material 15. Zur Anbringung des leitfähigen Materials kann beispielsweise ein galvanischer Verkupferungsprozess durchgeführt werden, mit welchem eine Kupferschicht im Bereich der Durchkontaktierung 2 bzw. der Bohrung 14 angebracht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann als leitfähiges Material 15 beispielsweise eine Hülse oder ein Stecker in die Durchkontaktierung 2 eingesetzt werden.
Gemäß der 7 ist die Mehrlagen-Leiterplatte 1 dargestellt, bei welcher die Durchkontaktierung 2 mit einem Füllmaterial 16 verschlossen ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Hole-in-Pad-Technologie handeln, bei welcher ein nachträgliches Verschließen der Bohrungen stattfindet, um ein direktes Bestücken und Löten an diesen Stellen zu ermöglichen. Das nachträgliche Verschließen der Via-Bohrungen ist mit einem Füllmaterial 16 wie z. B. einem gepluggten Via oder einem kupfergefüllten Via möglich.
Mit der 8 wird die fertige Mehrlagen-Leiterplatte 1 mit der Durchkontaktierung 2 in der Draufsicht gezeigt. Die kreisrunde Durchkontaktierung 2 weist, ausgehend von Außenrand des ersten Bohrdurchmessers 11, zuerst einen Ring aus dem isolierenden Füllmaterial 12 und im Anschluss daran das Füllmaterial 16 auf.
Als Ergebnis der oben genannten Verfahrensschritte erhält man ein Loch im Loch mit einem integrierten Dickkupfer-Profil.
Die Art der Doppeldurchkontaktierung ist speziell bei der Verwendung von mehreren oder großflächigeren Dickkupfer-Elementen interessant. Die Anwendung wird daher bevorzugt bei Leiterplatten, als auch bei Dickkupfer-Einlegeteilen bzw. bei zwei übereinander angeordneten Dickkupfer-Elementen angewendet.
Des Weiteren sind Kontaktierungsbohrungen und zusätzliche Wärmeleitbohrungen (Thermo-Vias) in der Mehrlagen-Leiterplatte 1 möglich. So können in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Anzahl von wärmeabgebenden Bauteilen, wie z. B. LEDs auf der Leiterplatte 1 angeordnet sein, wobei die Wärmeabfuhr u. a. über das Dickkupfer-Profil realisiert wird.
Gemäß der 9.a ist die Mehrlagen-Leiterplatte 1 schematisch im Schnittdargestellt, wobei die Durchkontaktierung mittels leitfähigem Material 15 durch zwei Dick-Kupferprofile 5 ohne elektrische Kontaktierung erfolgt. Die Durchführung erfolgt durch das isolierende Füllmaterial 12, um beispielsweise eine obere Leiterbahn 8' und eine untere Leiterbahn 8'' elektrisch miteinander zu verbinden.
In dieser speziellen Ausführungsform wird vor der Herstellung der inneren Durchkontaktierung 15, noch eine äußere Durchkontaktierung 15 zur elektrischen Verbindung der Dickkupferprofile 5 hergestellt.
In der 9b ist die Draufsicht auf die Mehrlagen-Leiterplatte 1 gemäß 9a dargestellt, wobei bei dieser Ausführungsform kein leitfähiges Füllmaterial 16 gezeigt wird, welches jedoch üblichlicherweise zum Verschließen des Loches verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: Mehrlagen-Leiterplatte
2: Durchgangsbohrung/Durchkontaktierung
3: blind via
4: buried via
5: Kupferprofil
6: Leiterplattenmaterial
7: Mittellage
8: Leiterbahn, 8' Leiterbahn oben, 8'' Leiterbahn unten
9: Bohrung groß
10: Mittellinie
11: Lochdurchmesser groß
12: Isolierendes Füllmaterial
13: Lochdurchmesser klein
14: Bohrung klein
15: Leitfähiges Material
16: Leitfähiges Füllmaterial
17
18: Randbereich

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung (2) zwischen ober- und unterseitig angeordneten Leiterbahnen (8, 8', 8'') bei einer Mehrlagen-Leiterplatte (1), welche aus einem Leiterplattenmaterial (6) und mindestens einem in den Verbund der Mehrlagen-Leiterplatte eingebetteten Kupferprofil (5) besteht, wobei die Durchkontaktierung (2) durch folgende Verfahrensschritte hergestellt wird: – Herstellen einer ersten Bohrung (9) mit einem ersten Bohrdurchmesser (11) durch die Mehrlagen-Leiterplatte (1) mit Durchbohrung der ober- und unterseitigen Leiterbahn (8, 8', 8'') und des eingebetteten Kupferprofils (5); – Füllen der ersten Bohrung (9) mit einem isolierenden Füllmaterial (12); – Herstellen einer zweiten Bohrung (14) koaxial zur ersten Bohrung (9) mit einem zweiten, kleineren Bohrdurchmesser (13) als der Bohrdurchmesser (11) der ersten Bohrung (9); – Auskleidung der Bohrungswand der zweiten Bohrung (14) mit einem elektrisch leitfähigen Material (15).
Mehrlagen-Leiterplatte hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochdurchmesser (13) der zweiten Bohrung (14) derart kleiner als der Lochdurchmesser (11) der ersten Bohrung (9) gewählt wird, dass eine elektrische Isolation zwischen dem elektrisch leitfähigen Material (15) und dem Dickkupferprofil (5) und allfälligen Leiterbahnen (8) gewährleistet ist.
Mehrlagen-Leiterplatte hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochdurchmesser (13) der zweiten Bohrung (14) um 1/10 kleiner ist als der Lochdurchmesser (11) der ersten Bohrung (9).
Mehrlagen-Leiterplatte hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochdurchmesser (11) der ersten Bohrung (9) etwa 0,5 mm und Lochdurchmesser (13) der zweiten Bohrung (14) etwa 0,3 mm ist.
Mehrlagen-Leiterplatte hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochdurchmesser (11) der ersten Bohrung (9) etwa 0,6 mm und Lochdurchmesser (13) der zweiten Bohrung (14) etwa 0,4 mm ist.
Mehrlagen-Leiterplatte hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (12) für die Bohrung (9) aus einem isolierenden Material besteht.
Mehrlagen-Leiterplatte hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupferprofil (5) zumindest eine Breite größer als 500 μm aufweist und eine Dicke von größer als 200 μm, insbesondere größer 500 μm.
Mehrlagen-Leiterplatte hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Durchkontaktierung (2) ein Randbereich (18) aus dem Füllmaterial (12) vorhanden ist, welcher einen Abstand zwischen dem ersten Lochdurchmesser (11) und dem zweiten Lochdurchmesser (13) sicherstellt.
Mehrlagen-Leiterplatte hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auskleidung der Bohrungswand der zweiten Bohrung (14) eine Hülse oder ein Stecker aus einem leitfähigen Material (15) einsetzbar sind.
Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung (2) einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Auskleidung der Bohrungswand der zweiten Bohrung (14) mit einem elektrisch leitfähigen Material (15) ein Verschließen der Bohrung (14) mit einem weiteren Füllmaterial (16) stattfindet.