DE10202145A1

DE10202145A1 - Verfahren zur Herstellung von Anschlußsubstraten für elektronische Bauelemente

Info

Publication number: DE10202145A1
Application number: DE10202145A
Authority: DE
Inventors: Peter Rothacher
Original assignee: Siemens Dematic AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2003-05-08

Abstract

Zur Herstellung des Anschlußsubstrats wird eine einseitig mit Kupfer kaschierte Polymerfolie heißgeprägt, wobei auf der Polymerseite Kontakthöcker (5) aus Kunststoff angeformt und Vertiefungen (6) bis zur Kupferkaschierung als Durchgangslöcher geformt werden. Durch Aufbringen zusätzlicher Metallisierungsschichten (14, 15) und der Strukturierung mit Laser- und Ätzverfahren werden auf den Kontakthöckern Außenkontakte, auf der Kaschierungsseite als Bondpads ausgebildete Innenkontakte (17) und jeweils Außenkontakte und Innenkontakte verbindende Leiterbahnstrukturen erzeugt. Damit können Anschlußsubstrate (PSGA·TM·) mit geringer Materialstärke und hoher Genauigkeit sehr wirtschaftlich hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Anschlußsubstraten für jeweils mindestens ein elektronisches Bauelement mit einem Substratkörper aus Thermoplastmaterial als Träger für das Bauelement, wobei mindestens auf einer Oberfläche des Substratkörpers Kontakthöcker als Außenanschlüsse einstückig angeformt und mit einer Metallschicht überzogen werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Anschlußsubstrats ist mit der Bezeichnung Polymer Stud Grid Array (PSGA™) bereits aus der EP 0 971 405 A2 bekannt. Bei diesem bekannten Zwischenträger, der in erster Linie in Verbindung mit der Kontaktierung von Halbleiterchips beschrieben wird, der aber auch für andere Bauelemente, wie Oberflächenwellenfilter oder sonstige aktive bzw. passive Bauelemente eingesetzt werden kann, sind als Anschlußelemente gegenüber einer Leiterplatte jeweils Polymerhöcker einstückig angeformt und mit einer Metallisierung überzogen sowie über entsprechende. Leiterbahnen und Innenanschlüsse mit dem Bauelement verbunden. Diese Polymerhöcker haben nicht nur den Vorteil, daß sie in einem Arbeitsgang mit dem Grundkörper selbst ausgeformt werden können, sondern sie können auf Grund ihrer Elastizität auch Spannungen, beispielsweise aufgrund von Wärmeausdehnungen, aufnehmen und ausgleichen.

In dem Dokument EP 0 971 405 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Anschlußsubstrats mittels Spritzgießen beschrieben; diese Art der Herstellung verlangt allerdings teure Spritzgußformen, wobei durch die hohen Drücke auch eine hohe Werkzeugbelastung mit entsprechendem Formverschleiß auftritt. Das Verfahren ist außerdem mit relativ hohen Toleranzen und geringer Flächennutzung verbunden, wobei gewisse Mindestdicken der Substrate von ca. 0,3 mm nicht unterschritten werden können. Soweit die Bauelemente und die Kontakthöcker auf unterschiedlichen Seiten des Substrats angeordnet werden, erfolgt die Kontaktierung von einer Seite zur anderen in der Regel über Durchgangsbohrungen (sog. Vias), was wiederum zusätzliche Fertigungsschritte erfordert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Anschlußsubstraten der eingangs genannten Art anzugeben, welches kostengünstiger als bisherige Verfahren ist und mit hoher Genauigkeit die Erzeugung besonders dünnwandiger Substrate ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel erreicht mit einem Verfahren, das die folgenden Schritte aufweist:

- eine Substratfolie aus Polymer wird einseitig mit einer Metallschicht kaschiert;
- auf der von der Metallschicht abgewandten Seite der Substratfolie werden die Höcker sowie Vertiefungen durch Heißprägen erzeugt, wobei die Vertiefungen durchgehend bis zur Metallschicht von dem Polymermaterial befreit werden;
- die geprägte Oberfläche einschließlich der Höcker und Vertiefungen wird mit einer Metallschicht überzogen; und
- sowohl die Metallschicht der geprägten Oberfläche als auch die Kaschierungs-Metallschicht werden so strukturiert, daß die Höcker als Außenkontakte dienen und von der kaschierten Metallschicht Innenanschlüsse für die Kontaktierung des Bauelementes gebildet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl die Kontakthöcker als auch die Durchkontaktierungslöcher und, soweit notwendig, Registrierlöcher in einem Arbeitsgang durch Heißprägen einer einseitig mit Kupfer kaschierten Folie hergestellt werden, wobei mit dem Heißprägen die Registrierlöcher gleichzeitig ausgestanzt werden. Insbesondere entfällt das Bohren von Durchgangslöchern und das unter Umständen erforderliche nachträgliche Auffüllen dieser Durchgangslöcher, da die geprägten Vertiefungen an der Kaschierungs-Metallschicht enden und in einem Arbeitsgang mit den Kontakthöckern auch bis zur Kaschierungsschicht metallisiert werden. Soweit nach dem Heißprägen in den Vertiefungen ein Polymerfilm auf der Kaschierungsschicht zurückbleibt, kann dieser vor der Metallisierung mittels Laserbestrahlung rückstandsfrei entfernt werden. Wahlweise könnte für die Entfernung des Polymerfilms auch chemisches Ätzen oder physikalisches (Plasma-)Ätzen eingesetzt werden.

Die Strukturierung der Metallschichten auf beiden Seiten des Substrats kann mit an sich bekannten Verfahren durch Laserbestrahlung und/oder durch Ätzen erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt eine solche Strukturierung folgende Schritte:

a) Aufbringen einer Metallisierung auf beide Seiten der Substratfolie;
b) Aufbringen einer Ätzresistschicht auf beide Seiten der Substratfolie.
c) Entfernen der Ätzresistschicht mittels Laserbestrahlung in denjenigen Bereichen, die an eine zu bildende Leiterbahnstruktur angrenzen; und
d) Abätzen der im Schritt c) freigelegten Bereiche der Metallisierung bis zur Oberfläche der Polymerschicht.

Anstelle dieses Verfahrens mit Laserstrukturierung einer Ätzresistschicht und nachfolgendem Ätzen wäre es auch denkbar, die Metallschichten direkt mittels Laserbestrahlung zu strukturieren.

Durch das Strukturieren der Kaschierungsschicht entstehen jeweils voneinander isolierte Innenanschlüsse, vorzugsweise als Bondpads, die jeweils mit einer der geprägten und metallisierten Vertiefungen in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Auf diese Weise können auf der Bauelementseite mit den Innenanschlüssen einerseits und auf der Anschlußseite mit den Außenanschlüssen bzw. Kontakthöckern andererseits unterschiedliche Schichtdicken erzeugt werden. Die aus der Kaschierung gewonnenen Bondpads können eine größere Dicke besitzen als die dünne Metallauflage auf den Kontakthöckern. Aus der Kaschierungsschicht können außerdem auch bedarfsweise Wärmeableitbleche gebildet werden.

Insgesamt können mit der Erfindung sehr dünne Substrate bei gleichzeitig hoher, durch die Kupferkaschierung bedingter mechanischer Stabilität erzeugt werden, die eine niedrige Rauhigkeit aufweisen und eine gute Stromzuführung in der Galvanikbearbeitung ermöglichen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäß zu bearbeitende Polymerfolie mit einem ausschnittsweise gezeigten Prägewerkzeug,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß geprägten Substrat,
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Substrat von Fig. 2,
Fig. 4, 5 und 6 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß hergestellten Substrat in mehreren aufeinanderfolgenden Verarbeitungsstadien.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Polymerfolie 1, welche erfindungsgemäß mit einer Metallschicht, vorzugsweise einer Kupferschicht 2, kaschiert ist. Die Polymerfolie kann beispielsweise eine Dicke von 5-30 µm, vorzugsweise zwischen 10 und 20 µm, aufweisen, während die Kaschierung eine Schichtdicke von 5-20 µm, vorzugsweise etwa 10 µm, besitzt. Diese Folie 1 wird in ein Prägewerkzeug mit einem Prägestempel 3 und Gegenstempel 4 gebracht. Die Folie, die beispielsweise aus LCP besteht, wird erwärmt, so daß ihr Material erweicht wird und mittels Ausnehmungen 31 und Vorsprüngen 32 des Prägestempels 3 Höcker 5 und Vertiefungen 6 (siehe Fig. 2), erzeugt werden. Die Erwärmung der Folie kann beispiels-Weise durch das Prägewerkzeug 3, 4 selbst oder durch eine anderweitig vorgesehene Heizung erfolgen.
Beispielsweise kann die Folie, wenn sie aus LCP oder einem ähnlichen Material besteht, auf eine Temperatur von 120°C bis 350°C erwärmt und dann mit einem kalten Stempel geprägt werden. Andererseits ist es auch möglich, die nicht vorgeheizte Folie mit einem Stempel, der auf 120°C bis 300°C erwärmt ist, zu prägen. Bekanntlich werden LCP und ähnliche Materialien bei Temperaturen über 150°C bis 200°C weich, während die Verflüssigung ab 350°C bis 400°C beginnt. Denkbar ist auch ein Variotherm-Verfahren, wobei die Folie beim Durchlauf durch das Werkzeug erwärmt und wieder abgekühlt wird. Wie in Fig. 1 weiter zu sehen ist, ist an dem Prägestempel 3 eine Stanznadel 33 vorgesehen. Mit solchen Stanznadeln 33 können gleichzeitig mit dem Prägevorgang auch Registrierlöcher 7 in dem zu erzeugenden Anschlußsubstrat 10 ausgestanzt werden.
Die Fig. 2 und 3 zeigen in zwei Ansichten einen Ausschnitt aus einem derart geprägten Substrat 10 mit Höckern 5 und Vertiefungen 6. Die Vertiefungen 6 werden soweit wie möglich bis zu der Kaschierungsschicht 2 durchgeprägt. Soweit es sich nicht vermeiden läßt, daß ein dünner Polymerfilm 9 bestehen bleibt, kann dieser mittels eines Laserstrahls, schematisch durch die Pfeile 11 angedeutet, entfernt werden.
Die weitere Verarbeitung ist anhand der Fig. 4 bis 6 gezeigt. Auf die Oberseite 12 des Substrats 10 wird ebenso wie auf die Unterseite 13 der Kaschierungsschicht 2 eine Metallschicht, vorzugsweise Kupfer, galvanisch aufgebracht. Danach werden sowohl die Metallschicht 14 der Oberseite als auch die Metallschicht 15 der Unterseite einschließlich der Kaschierungsschicht 2 so strukturiert, daß lediglich die als Außenkontakte 16 dienenden Spitzen der Höcker 5, die als Innenkontakte oder Bondpads 17 dienenden Abschnitte der Kaschierungsschicht 2 bzw. Metallschicht 15 und die jeweiligen Verbindungen zwischen beiden über die Leiterbahnen 18 und 19 sowie die Durchkontaktierungen 20 im Bereich der Vertiefungen 6 stehenbleiben. Die Strukturierung kann, wie bereits erwähnt, entweder durch direktes Laserstrukturieren oder durch bekannte Ätzverfahren mit Laserstrukturierung einer Ätzresistschicht, etwa ähnlich wie in EP 0 931 439 B1 beschrieben, durchgeführt werden.
Anschließend werden beide Seiten des Anschlußsubstrats 10 mit einer Dielektrikumschicht 21, beispielsweise einem Filmresist, Fotoresist oder Lötstopplack beschichtet. Von dieser Schicht werden lediglich die zur Kontaktierung vorgesehenen Oberflächen der Außenkontakte 16 und der Innenkontakte 17 freigespart und anschließend mit gut lötbaren bzw. bondbaren Kontaktschichten versehen. Im vorliegenden Beispiel sind dies jeweils eine Nickelschicht 22 und eine Goldschicht 23. Natürlich können auch andere Kontaktmaterialien bzw. Legierungen Verwendung finden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Anschlußsubstraten für jeweils mindestens ein elektronisches Bauelement mit einem Substratkörper (10) aus Thermoplastmaterial als Träger für das Bauelement, wobei mindestens auf einer Oberfläche (12) des Substratkörpers (10) Kontakthöcker (5) als Außenanschlüsse einstückig angeformt und mit Metall überzogen werden, mit folgenden Schritten:

1. eine Substratfolie (1) aus Polymer wird einseitig mit einer Metallschicht (2) kaschiert;

- auf der von der Metallschicht (2) abgewandten Seite der Substratfolie (1) werden die Höcker (5) sowie Vertiefungen (6) durch Heißprägen erzeugt, wobei die Vertiefungen durchgehend bis zur Metallschicht (2) von dem Polymermaterial befreit werden;

- die geprägte Oberfläche einschließlich der Höcker (5) und Vertiefungen (6) wird mit einer Metallschicht (14) überzogen, und

- sowohl die Metallschicht (14) der geprägten Oberfläche als auch die Kaschierungs-Metallschicht (2) werden so strukturiert, daß die Höcker (5) als Außenkontakte (16) dienen und von der kaschierten Metallschicht (2) Innenanschlüsse (17) für die Kontaktierung des Bauelementes gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Heißprägen in den Vertiefungen (6) zurückbleibende Polymerrestschichten (9) mittels Laserbearbeitung entfernt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Heißprägen in den Vertiefungen (6) zurückbleibende Polymerrestschichten (9) durch chemisches Ätzen oder Plasmaätzen entfernt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zugleich mit dem Heißprägen Registrierlöcher (7) aus der Substratfolie (1) bzw. dem geprägten Substrat (10) gestanzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auf die Kaschierungsschicht (2) eine zusätzliche Metallschicht (15), vorzugsweise galvanisch, aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Metallisierungsschichten (14; 2, 15) auf beiden Seiten des Substrats (10) durch Laserbestrahlung und/oder durch Ätzen strukturiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei durch Strukturierung der Kaschierungsschicht (2) und einer gegebenenfalls zusätzlich aufgebrachten Metallschicht (15) jeweils voneinander isolierte Innenanschlüsse (17) gebildet werden, die jeweils mit einer der geprägten und metallisierten Vertiefungen (6) in elektrisch leitendem Kontakt stehen.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Innenanschlüsse (17) als Bondpads ausgebildet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Innenanschlüsse als Lötpads ausgebildet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Strukturierung der Metallschichten folgende Schritte umfaßt:

a) Aufbringen einer Metallisierung (14, 15) auf beide Seiten der Substratfolie (1; 10);

b) Aufbringen einer Ätzresistschicht auf beide Seiten der Substratfolie;

c) Entfernen der Ätzresistschicht mittels Laserstrahlung in den Bereichen, die an eine zu bildende Leiterbahnstruktur angrenzen;

d) Abätzen der im Schritt c) freigelegten Bereiche der Metallisierung bis zur Oberfläche der Polymerschicht und

e) Entfernen der Ätzresistschicht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, mit folgenden weiteren Schritten:

a) Aufbringen einer Dielektrikums-Schicht (21) auf beide Seiten des Substrats (10),

b) Entfernen der Dielektrikums-Schicht von den Endoberflächen der Höcker (5) und der Innenkontakte (17) und

c) Aufbringen von einer oder mehreren lötbaren bzw. bondbaren Schichten (22, 23) auf die freigelegten Oberflächen der Höcker (5) und der Innenkontakte (17).

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei als Dielektrikums- Schicht ein Filmresist, Fotoresist oder Lötstopplack verwendet wird.