DE102016219733A1

DE102016219733A1 - Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Leiterplatte

Info

Publication number: DE102016219733A1
Application number: DE102016219733.9A
Authority: DE
Inventors: Angelika Schingale; Markus Ochs; Karsten Meier; Mike Röllig
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2018-04-12
Also published as: WO2018069319A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mehrlagigen Leiterplatte, bei der die einzelnen Leiterplattenlagen (3, 7) mit metallischen Leiterstrukturen versehen sind, die Kontaktstellen (4) aufweisen, die über die Leiterplattenoberfläche eine gleichmäßige Dicke von mindestens 5µm haben, und zumindest eine erste Leiterplattenlage (3, 7) Bohrungen (5) mit metallisierten Wänden aufweist, die mit den Kontaktstellen (4) der metallischen Leiterstruktur in elektrischem Kontakt sind oder eine solche Kontaktstelle (4) bilden, bei dem a) auf die erste Leiterplattenlage (3) eine strukturierte Prepreglage (1) aufgebracht wird, die Kontaktstellen (4) der metallischen Leiterstrukturen freilässt, b) auf die Prepreglage (1) eine zweite Leiterplattenlage (7) aufgebracht wird, c) auf diesen Stapel gegebenenfalls weitere Prepreg- und Leiterplattenlagen aufgebracht werden, d) die zumindest zwei Leiterplattenlagen (3, 7) und die zumindest eine Prepreglage (1) verpresst werden, so dass zu verbindende Kontaktstellen (4) der ersten Leiterplattenlage (3) und der zweiten Leiterplattenlage (7) in Kontakt kommen, e) während des Verpressens der Stapel bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Kontaktstellen (4) aufgeheizt wird, f) auf die Außenlagen des Stapels jeweils eine Lotstoppschicht (8) aufgebracht wird, g) und anschließend das Metall der Kontaktstellen (4) bei einer Temperatur oberhalb dessen Schmelztemperatur umgeschmolzen wird.

Description

Leiterplatten sind Träger für elektronische Bauelemente. Sie dienen der mechanischen Befestigung und Verbindung der elektronischen Bauelemente. Eine Leiterplatte besteht aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen, den Leiterbahnen. Als isolierendes Material ist faserverstärkter Kunststoff üblich. Die Leiterbahnen werden zumeist aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt. Die Bauelemente werden auf Lötflächen, den sogenannten Kontaktpads, oder in Lötaugen gelötet.
Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Leiterplattenarten. Beispielsweise sind einseitige und zweiseitige Leiterplatten bekannt, bei denen elektrisch leitende Verbindungen entweder nur auf einer Oberfläche oder auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen der Leiterplatten aufgebracht sind. Bei sogenannten Multilayer-Leiterplatten oder mehrlagigen Leiterplatten sind Leiterzugstrukturen in mehreren Lagen sowohl auf als auch im Inneren der Leiterplatte angeordnet. Zur Herstellung werden mehrere dünne Leiterplatten mit sogenannten Prepregs aufeinander geklebt. Diese mehrlagigen Leiterplatten können bis zu 48 Schichten aufweisen. Im Umfeld von Automobilen Anwendungen sind 4 bis 8 Lagen verbreitet. Verbindungen der Verbindungsschichten zwischen den einzelnen Lagen werden mittels sogenannter Durchkontaktierungen realisiert.
Die Herstellung von einseitigen oder doppelseitigen, optional durchkontaktierten, Leiterplatten erfolgt üblicherweise photochemisch. Die Herstellung der Leiterbahnen erfolgt in der Regel photolithographisch, indem eine dünne Schicht lichtempfindlichen Photolacks auf die Oberfläche der zunächst vollständig metallisierten Leiterplatte aufgebracht wird. Nach der Belichtung des Photolacks durch eine Maske mit dem gewünschten Layout der Leiterzugstruktur sind je nach verwendetem Photolack entweder die belichteten oder die unbelichteten Anteile des Lacks löslich in einer passenden Entwickler-Lösung und werden entfernt. Wird die so behandelte Leiterplatte in eine geeignete Ätzlösung eingebracht, so wird nur der freigelegte Teil der metallisierten Oberfläche angegriffen. Die vom Photolack bedeckten Anteile bleiben erhalten, weil der Lack beständig gegen die Ätzlösung ist. Anschließend können die Kupferschichten nach dem Ätzen galvanisch verstärkt werden, um die gewünschte Schichtstärke zu erzielen. Zusätzlich können galvanisch auf Teilflächen oder der gesamten Kupferfläche metallische Schutzund Kontaktschichten aus Zinn, Nickel oder Gold aufgebracht werden. Danach wird ein Lötstopplack aufgebracht, der die Leiterbahnen abdeckt und nur die Lötstellen freilässt.
Die Herstellung mehrlagiger Leiterplatten ist darüber hinaus mit einer Vielzahl von nasschemischen Prozessen verbunden. Beispielsweise werden nach dem Verpressen eines aus mehreren Lagen bestehenden Schichtaufbaus in die äußeren Materialschicht(en) eingebrachte Bohrungen mittels nasschemischer Prozesse gefüllt, um so eine Kontaktierung einzelner Leiter- oder Verbindungslagen herzustellen. Im Rahmen eines nasschemischen Prozesses wird in einer Galvanik üblicherweise Kupfer abgeschieden. Neben hohen Anforderungen an die Prozesssicherheit ist ein nasschemischer Prozess auch mit vielen ökologischen Aspekten verbunden. Bei diesen werden Säuren, Laugen, toxische Chemikalien eingesetzt. Teilweise ist die Entsorgung von Sondermüll erforderlich.
Es wäre daher wünschenswert, wenn die Herstellung einer mehrlagigen Leiterplatte mit einer möglichst geringen Anzahl an nasschemischen Prozessen erfolgen könnte.
Die DE 694 31 740 T2 offenbart die Herstellung einer mehrlagigen Verdrahtungsplatine, bei der gemäß der dortigen 7 und 8 mehrere Leiterplattenlagen miteinander verpresst werden, wobei Kontaktstellen der Leiterplattenlagen mit Durchkontaktierungen verbunden sind. Die Kontaktstellen werden mit Verbindungskontaktstellen oder Verbindungskontakthöckern versehen, die beide durch Mehrlagenbeschichten unter Anwendung von elektrolytischer Nickelbeschichtung und elektrolytischer Goldbeschichtung und im Falle der Verbindungskontakthöcker mit zusätzlicher elektrolytischer Zinnbeschichtung und elektrolytischer Goldbeschichtung der Reihe nach erzeugt werden.
Dies sind sehr aufwändige nasschemische Verfahren. Es ist die Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer mehrlagigen Leiterplatte, bei der die einzelnen Leiterplattenlagen mit metallischen Leiterstrukturen versehen sind, die Kontaktstellen aufweisen, die über die Leiterplattenoberfläche eine gleichmäßige Dicke von mindestens 5µm haben, und zumindest eine erste Leiterplattenlage Bohrungen mit metallisierten Wänden aufweist, die mit den Kontaktstellen der metallischen Leiterstruktur in elektrischem Kontakt sind oder eine solche Kontaktstelle bilden, bei dem

a) auf die erste Leiterplattenlage eine strukturierte Prepreglage aufgebracht wird, die Kontaktstellen der metallischen Leiterstrukturen freilässt,
b) auf die Prepreglage eine zweite Leiterplattenlage aufgebracht wird,
c) auf diesen Stapel gegebenenfalls weitere Prepreg- und Leiterplattenlagen aufgebracht werden,
d) die zumindest zwei Leiterplattenlagen und die zumindest eine Prepreglage verpresst werden, so dass zu verbindende Kontaktstellen der ersten Leiterplattenlage und der zweiten Leiterplattenlage in Kontakt kommen,
e) während des Verpressens der Stapel bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Kontaktstellen aufgeheizt wird,
f) auf die Außenlagen des Stapels jeweils eine Lotstoppschicht aufgebracht wird,
g) und anschließend das Metall der Kontaktstellen bei einer Temperatur oberhalb dessen Schmelztemperatur umgeschmolzen wird.

Es werden also die Verbindungen zwischen den Leiterplattenlagen und ggf. deren Bohrungen zur Herstellung von Durchkontaktierungen in der Leiterplatte durch den direkten Kontakt der Kontaktstellen der Leiterplattenlagen hergestellt. Es wird das Metall der Kontaktstellen durch Druck und Wärmeeinwirkung beim Verpressen umgeschmolzen, so dass sich die Kontaktstellen verschiedener Leiterplattenlagen durch Bildung intermetallischer Grenzschichten verbinden, ohne dass weiteres Material nötig wäre.
Auf diese Weise lassen sich sehr einfach Durchkontaktierungen durch die gesamte Leiterplatte oder auch nur bis zu Leiterstrukturen auf einer Innenlage realisieren, indem lediglich das Metall der durch den Rand der Bohrungswandmetallisierung erzeugten Kontaktstellen durch Druck und Wärme zu einer intermetallischen Grenzschicht verpresst werden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Schritt e) der Stapel bis zu einer Temperatur über der Schmelztemperatur des Metalls der Kontaktstellen aufgeheizt und dieses dabei umgeschmolzen, wobei der Schritt g) entfällt.
Das Verpressen und Umschmelzen erfolgt also in einem Arbeitsgang.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden nach dem Schritt e) bei einem Schritt e‘) die Bohrungen mit einem Material aus der Gruppe der Materialien Lot, Klebstoff, Polymer oder Sinterwerkstoff aufgefüllt und dieses anschließend umgeschmolzen bzw. ausgehärtet.
Damit können die Bohrungen ggf. komplett gefüllt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen
1 bis 8 die einzelnen Schritte einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
9 bis 11 eine erste Alternative zu den Schritten der 7 bis 8,
12 und 13 eine zweite Alternative zu den Schritten der 7 bis 8,
14 und 15 eine dritte Alternative zu den Schritten der 7 bis 8.
In den 1 bis 8 ist eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer mehrlagigen Leiterplatte mit Durchkontaktierungen in schematischer Weise dargestellt. Die Abmessungen der einzelnen Bestandteile sind dabei nicht maßstäblich, sondern sollen lediglich die Vorgehensweise verdeutlichen.
1 zeigt eine Prepreglage 1, die gemäß 2 strukturiert wird, indem in die Prepreglage 1 durch Bohren, Stanzen, Schneiden etc. Öffnungen 2 eingebracht werden, die die für die zu erzeugenden Durchkontaktierungen benötigten Anschlussflächen auf einer ersten strukturierten Leiterplattenlage 3 gemäß 3 freigeben sollen. Die erste Leiterplattenlage 3, die vor dem Verlegen gereinigt, angeätzt und getrocknet wird, weist dabei in herkömmlicher Weise Leiterbahnstrukturen und Kontaktflächen sowie Bohrungen 5 mit metallisierten Wänden auf.
In erfindungsgemäßer Weise sind die an der Leiterplattenlageaußenseite liegenden Ränder der Bohrungswandmetallisierung und weitere mit anderen Leiterplattenlagen zu verbindende Bereiche als Kontaktstellen 4 mit einer Mindestdicke von 5µm gebildet, so dass die zwei miteinander zu verbindenden Kontaktstellen 4 zweier benachbarter Leiterplattenlagen 3, 7 eine Gesamtdicke von mindestens 10µm haben.
Die Prepreglage 1 wird auf die erste strukturierte Leiterplattenlage 3 der 3 aufgebracht, so dass insbesondere durch die Öffnungen 2 die Kontaktstellen 4 auf der ersten Leiterplattenlage 3 freigelassen werden.
Gemäß 4 wird eine zweite strukturierte Leiterplattenlage 7 auf der Prepreglage 1 positioniert. Dieser Stapelaufbau wird in einem anschließenden Verpressschritt gemäß 5 und 6 (mit Vakuumunterstützung) verarbeitet.
Gemäß 7 wird eine Lotstoppschicht 8 auf die Oberflächen des Stapels aufgebracht und ggf. strukturiert. Anschließend erfolgt gemäß 8 ein Umschmelzen des Metalls der Kontaktstellen 4.
Wird gemäß 8 mit Umschmelzphase gearbeitet, wird die Temperatur des Pressguts am Ende des Pressprofils, nach dem Aushärten der Prepreglage 1 und vor dem Abkühlen kurzzeitig auf oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Kontaktstellen 4 gebracht.
In den 9 bis 11 ist der Vorgang gezeigt, wenn vor dem Aufbringen der Lotstoppschicht 8 und dem Umschmelzen des Metalls der Kontaktstellen 4 ein Füllmaterial 9 in die Bohrungen 5 eingebracht wird. Das Füllmaterial 9 kann dabei ein Lot, ein Klebstoff, ein Polymer oder ein Sinterwerkstoff sein, der nach dem Einbringen umgeschmolzen bzw. ausgehärtet wird.
Daran anschließend wird wiederum eine Lotstoppschicht 8 auf die Außenflächen der entstandenen Leiterplatte aufgebracht, was in bekannter Weise durch Laminieren, Schleudern oder Vorhanggießen wie in den anderen Varianten auch erfolgen kann.
In den 12 und 13 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem das Umschmelzen des Metalls der Kontaktstellen 4 vor dem Aufbringen der Lotstoppschicht 8 erfolgt. Hier wird bereits während des Verpressens die Temperatur über die Schmelzphase des Materials der Kontaktstellen 4 erhöht, so dass die intermetallischen Grenzschichten entstehen können
In den 14 und 15 ist schließlich eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, die eine Kombination der ersten und der zweiten Variante ist, bei der das Umschmelzen des Metalls der Kontaktstellen 4 während des Verpressens erfolgt und anschließend vor dem Aufbringen einer Lotstoppschicht Füllmaterial 9 in die Bohrungen 5 eingebracht wird.
Die Erfindung nutzt mit Bohrungen versehene, fertig strukturierte als mechanisch und elektrisch zu verbindende Leiterplattenlagen (Innen- und Außenlagen) zur Bildung von Durchkontaktierungen in mehrlagigen Leiterplatten. Durch den Einsatz von strukturierten Prepreglagen und ausreichend dicken Kontaktstellen wird während des Verpressens der zuvor genannten Leiterplattenlagen bzw. in einem nachgelagerten Temperaturprozess (Löten oder Aushärten) neben der mechanischen eine elektrische Verbindung erzeugt. Es entfällt gänzlich jede Form der galvanischen Erzeugung der elektrischen Durchkontaktierungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69431740 T2 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer mehrlagigen Leiterplatte, bei der die einzelnen Leiterplattenlagen (3, 7) mit metallischen Leiterstrukturen versehen sind, die Kontaktstellen (4) aufweisen, die über die Leiterplattenoberfläche eine gleichmäßige Dicke von mindestens 5µm haben, und zumindest eine erste Leiterplattenlage (3, 7) Bohrungen (5) mit metallisierten Wänden aufweist, die mit den Kontaktstellen (4) der metallischen Leiterstruktur in elektrischem Kontakt sind oder eine solche Kontaktstelle (4) bilden, bei dem a) auf die erste Leiterplattenlage (3) eine strukturierte Prepreglage (1) aufgebracht wird, die Kontaktstellen (4) der metallischen Leiterstrukturen freilässt, b) auf die Prepreglage (1) eine zweite Leiterplattenlage (7) aufgebracht wird, c) auf diesen Stapel gegebenenfalls weitere Prepreg- und Leiterplattenlagen aufgebracht werden, d) die zumindest zwei Leiterplattenlagen (3, 7) und die zumindest eine Prepreglage (1) verpresst werden, so dass zu verbindende Kontaktstellen (4) der ersten Leiterplattenlage (3) und der zweiten Leiterplattenlage (7) in Kontakt kommen, e) während des Verpressens der Stapel bis zu einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Kontaktstellen (4) aufgeheizt wird, f) auf die Außenlagen des Stapels jeweils eine Lotstoppschicht (8) aufgebracht wird, g) und anschließend das Metall der Kontaktstellen (4) bei einer Temperatur oberhalb dessen Schmelztemperatur umgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt e) der Stapel bis zu einer Temperatur über der Schmelztemperatur des Metalls der Kontaktstellen (4) aufgeheizt wird und dieses dabei umgeschmolzen wird und der Schritt g) entfällt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nach dem Schritt e) bei einem Schritt e‘) die Bohrungen (5) mit einem Material (9) aus der Gruppe der Materialien Lot, Klebstoff, Polymer oder Sinterwerkstoff aufgefüllt und dieses anschließend umgeschmolzen bzw. ausgehärtet wird.