DE10329657A1

DE10329657A1 - Gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren und Verfahren zur Herstellung derselben

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Publication number: DE10329657A1
Application number: DE10329657A
Authority: DE
Inventors: Seok-Kyu Lee; Jang-Kyu Kang; Hyun-Ju Jin; Byoung-Youl Min
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2004-07-22
Also published as: US20040118600A1; KR20040057153A; US6910266B2; KR100455891B1; US20050199681A1; US7092237B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren und einem Prozess zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte. Die eingebetteten Kondensatoren werden gebildet durch Auftragen eines fotoempfindlichen Isolationsharzes auf die Innenseite einer gedruckten Schaltkarte zum Auftragen einer hochgradig dielektrischen Polymerkondensatorpaste hierauf. Das Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren umfasst folgende Schritte: i) Laminieren von trockenen Fotoresistfilmen auf kupferplattiertes FR-4, Belichten und Entwickeln der trockenen Filme und Ätzen der Kupferfolien des kupferplattierten FR-4 zur Bildung von unteren Elektroden zur Ausbildung von Kondensatoren; ii) Auftragen eines fotoempfindlichen Isolationsharzes auf die Oberflächen der unteren Elektroden und Belichten und Entwickeln zum (Weg-) Ätzen des fotoempfindlichen Isolationsharzes, iii) Auftragen einer Kondensatorpaste auf die weggeätzten Bereiche und Härten der Kondensatorpaste, iv) Plattieren der oberen Bereiche der gehärteten Kondensatorpaste und des fotoempfindlichen Isolationsharzes unter Verwendung eines autokatalytischen Kupferniederschlagsprozesses zur Bildung von Kupferfolienschichten für obere Elektroden, v) Laminieren fotoempfindlicher trockener Filme auf die Kupferfolienschichten für die oberen Elektroden und Belichten und Etwickeln der fotoempfindlichen trockenen Filme zum (Weg-) Ätzen von Bereichen der trockenen Filme ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren und ein Verfahren zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine gedruckte Schaltkarte mit eingebetteten Kondensatoren, wobei die eingebetteten Kondensatoren durch Auftragen eines fotosensitiven bzw. fotoempfindlichen Isolationsharzes auf die Innenschicht der gedruckten Schaltkarte (PCB) und durch Anbringen einer hochgradig dielektrischen Polymerkompensatorpaste darauf gebildet werden, und ein Verfahren zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte.

Üblicherweise werden diskrete Chipwiderstände oder diskrete Chipkondensatoren auf den Oberflächen herkömmlicher bedruckter Schalterkarten (PCBs) angebracht werden. Seit neuester Zeit sind gedruckte Schaltkarten mit eingebetteten passiven Bauelementen, wie etwa Widerständen, Kondensatoren u. dgl., entwickelt worden.

Diese gedruckten Schaltkarten mit eingebetteten passiven Bauteilen werden durch ein Verfahren hergestellt, aufweisend das Einführen bzw. Einsetzen passiver Bauelemente, wie etwa Widerstände, Kondensatoren u. dgl., in eine Innen- oder Außen schicht eines Substrats unter Verwendung neuartiger Materialien (Substanzen) und Prozesse, wodurch die Funktionen herkömmlicher Chipwiderstände und Chipkondensatoren ersetzt sind. D. h., die gedruckten Schaltkarten mit darin eingebetteten passiven Bauelementen umfassen passive Bauelemente, z. B. Kondensatoren, die in der Innen- oder Außenschicht des Substrats vergraben sind. Der Begriff "eingebettete Kondensatoren", wie er vorstehend verwendet wird, bezieht sich auf Kondensatoren als passive Bauelemente, die als Teile einer gedruckten Schaltkarte angebracht werden, und zwar ungeachtet der Größe eines Substrats. Das Substrat wird als "PCB mit eingebettetem Kondensator" bezeichnet. Der wesentlichste Vorteil der PCB mit eingebettetem Kondensator ist, dass die Kondensatoren als Teile der gedruckten Schaltkarte angebracht werden, wobei keine Notwendigkeit besteht, die Kondensatoren auf den Oberflächen der gedruckten Schaltkarte anzubringen.

Andererseits sind neueste Techniken zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit eingebettetem Kondensator im Wesentlichen in die folgenden drei Techniken klassifiziert:
Die erste Technik betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerdickfilmkondensatoren, aufweisend das Auftragen einer Polymerkondensatorpaste und das Wärmeaushärten (d. h., Trocknen) der Paste. In Übereinstimmung mit diesem Verfahren werden insbesondere die eingebetteten Kondensatoren gebildet durch Auftragen der Polymerkondensatorpaste auf die Innenschicht der gedruckten Schaltkarte, Trocken der Polymerkondensatorpaste, und Drucken einer Kupferpaste auf die resultierende gedruckte Schaltkarte zur Bildung von Elektroden und Trocknen der Kupferpaste.

Die zweite Technik besteht in einem Verfahren zur Herstellung eingebetteter diskreter Kondensatoren, aufweisend das Auftragen eines mit einer Keramik gefüllten foto-dielektrischen Harzes auf eine gedruckte Schaltkarte. Das diesbezügliche Patent besitzt Motorola Inc. Insbesondere werden in Übereinstimmung mit diesem Verfahren die diskreten Kondensatoren gebildet durch Auftragen des foto-dielektrischen Harzes, das Keramikpulver enthält, auf beiden Oberflächen bzw. Seiten eines Substrats, durch Laminieren von Kupferfolien hierauf, um jeweilige obere und untere Elektroden zu bilden, durch Bilden von Schaltungsmustern bzw. -strukturen darauf und durch Ätzen des foto-dielektrischen Harzes.

Die dritte Technik besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Pulververteilungsentkopplungskondensatoren, aufweisend das Einführen bzw. Einsetzen dielektrischer Schichten mit Kondensatoreigenschaft in die Innenschicht der gedruckten Schaltkarte, wodurch die Entkopplungskondensatoren ersetzt werden, die auf den Oberflächen der herkömmlichen gedruckten Schaltkarte angebracht sind. Das diesbezügliche Patent wird durch Sanmina Corp. geeignet. In Übereinstimmung mit diesem Verfahren werden insbesondere Pulververteilungsentkopplungskondensatoren durch einen Prozess gebildet, der das Einführen bzw. Einsetzen dielektrischer Schichten, die aus Leistungselektroden bzw. Stromelektroden und Masseelektroden bestehen, in die Innenschichten der gedruckten Schaltkarte umfasst.

Ein Vielzahl von Prozessen ist auf Grundlage der drei vorstehend erläuterten Techniken entwickelt worden. Die Prozeduren zum Ausführen der Prozesse unterscheiden sich voneinander. Da der Markt für die gedruckten Schaltkarten mit darin eingebetteten Kondensatoren klein ist, ist die Standardisierung die ser Techniken noch nicht erreicht worden und Versuche zur Entwicklung kommerziell erhältlicher Prozesse dauern an.

Gedruckte Schaltkarten mit darin eingebetteten Kondensatoren sowie Prozesse bzw. Verfahren zur Herstellung der gedruckten Schaltkarten in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik werden nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Der erste Stand der Technik wird unter Bezug auf 1a bis 1e erläutert.

1a bis 1e zeigen Schnittansichten eines Prozesses zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Polymerdickfilmkondensatoren in Übereinstimmung mit dem ersten Stand der Technik. Wie in 1a bis 1e gezeigt, wird die gedruckte Schaltkarte mit eingebetteten Polymerdickfilmkondensatoren durch einen Prozess hergestellt, aufweisend Auftragen einer Polymerkondensatorpaste und Wärmetrocknen (d. h. Aushärten) der Paste.

Im Schritt 1 wird der trockene Film auf eine Kupferfolie einer PCB-Innenschicht 42 aufgetragen, die aus FR-4 besteht, woraufhin er einer Belichtung und Entwicklung unterworfen wird. Die Kupferfolie wird geätzt, um Kupferfolien 44a und 44b für positive Elektroden (+/- Elektroden), Kupferfolien 43a und 43b für negative Elektroden (-/- Elektroden) und Freiräume dazwischen zu bilden (1a).

Im Schritt 2 wird eine Kondensatorpaste, ein Keramikpulver mit hoher Dielektrizitätskonstante enthaltendes Pulver, auf die Kupferfolien 43a und 43b für die negativen Elektroden unter Verwendung eines Siebdruckvorgangs aufgetragen, woraufhin sie getrocknet oder ausgehärtet wird (1b). Der Siebdruckvorgang bezieht sich auf ein Druckverfahren, demnach ein Medium, beispielsweise Tinte, durch ein Schablonensieb bzw. eine Schablonenbogen unter Verwendung einer Quetscheinrichtung geleitet wird, um ein Muster bzw. eine Struktur auf einer Substratoberfläche zu bilden.

In diesem Schritt decken gesiebte bzw. Sieb-Kondensatorpasten 45a und 45b die Kupferfolien 44a und 44b für die positiven Elektroden ab, die Kupferfolien 43a und 43b für negative Elektroden und die dazwischen gebildeten Freiräume.

Im Schritt 3 wird elektrisch leitende Paste, wie etwa Silber- und Kupferpaste, auf die resultierende Struktur unter Verwendung eines Siebdruckvorgangs aufgetragen, um positive Elektroden 46a und 46b zu bilden, woraufhin sie getrocknet oder ausgehärtet wird (1c).

Im Schritt 4 wird die Kondensatorschicht, die auf einer Kupferfolie 41 der PCB-Innenschicht 42 gebildet ist, die durch die vorausgehend genannten Schritte 1 bis 3 gebildet wurde, zwischen die Isolatoren 47a und 47b eingeführt bzw. eingesetzt, und daraufhin werden die drei Schichten aneinander laminiert (1d). Die Bezugsziffern 48a und 48b bezeichnen Kupferfolienschichten, die auf die Isolatoren 47a und 47b aufgetragen sind.

Im Schritt 5 werden Durchgangslöcher (TH) und per Laser verschlossene Vialöcher (LBVH) 49a und 49b auf dem laminierten Erzeugnis gebildet. Die im Innern des laminierten Erzeugnisses vorhandenen Kondensatoren werden mit entsprechenden positiven Anschlüssen (+/- Anschlüssen) 51a und 51b und negativen Anschlüssen 50a und 50b von IC-Chips 52a und 52b über die Durchgangslöcher (TH) und die per Laser verschlossenen Vialöcher (LBVH) 49a und 49b verbunden. Die Kondensatoren arbeiten damit als eingebettete Kondensatoren (1e).

Eines der Probleme in Bezug auf die erste herkömmliche Technik, die vorstehend erläutert wurde, betrifft das Auftreten von Rissen in den Kondensatorpasten 45a und 45b an den Enden der positiven Elektroden 46a und 46b.

2a und 2b zeigen Schnittansichten unter Verdeutlichung der Probleme der gedruckten Schaltkarte, die durch den in 1a bis 1e gezeigten Prozess hergestellt wurde.

Wenn die Kondensatorpasten 45a und 45b, wie in 1b gezeigt, auf die Kupferfolien 43a und 43b für die negativen Elektroden gedruckt und daraufhin in dem vorstehend genannten Schritt 2 getrocknet werden, treten Risse (C) auf, wie in 2a gezeigt. Das Auftreten von Rissen (C) resultiert aus der Dicke der Kupferfolien für die negativen Elektroden. Die Kupferfolien der PCB-Innenschicht besitzen üblicherweise eine Dicke von 1/2 oz (18 μm) oder 1 oz (36 μm). Da die Dicke der gedruckten Kondensatoren etwa 10 μm beträgt, treten Risse an den Enden der Kupferfolien für die negativen Elektroden auf. Die Risse rufen auch solche Probleme hervor, dass dann, wenn die Kupferpasten 45a und 45b mit den Kupferfolien 44a und 44b für positive Elektroden gedruckt werden, eine Innenschicht unmittelbar zwischen den negativen Elektroden und positiven Elektroden schlecht bzw. beeinträchtigt ist.

Das zweite Problem, betreffend die erste der vorstehend erläuterten Techniken, besteht in einer nicht gleichmäßigen Isolationsdistanz zwischen einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht, wie in 1e gezeigt.

Wenn die eingebetteten Kondensatoren 45a und 45b in Übereinstimmung mit den Schritten von 1a bis 1e gebildet werden, und wenn die Isolatoren 47a und 47b so laminiert werden wie in Schritt 4 gezeigt, wird die Differenz zwischen dem Isolationsabstand ausgehend von den Kondensatoren zu einer ersten Schicht (durch A bezeichnet) und der Isolationsdistanz von einer zweiten Schicht (mit B bezeichnet) oder einer dritten Schicht in dem Innenschichtkern zu der ersten Schicht groß (2b). Wenn beispielsweise die Isolatoren eine Dicke von 80 μm aufweisen, beträgt die Isolationsdistanz (A) von den Kupferleistungselektroden 46a und 46b der Innenschichtkondensatoren zu der ersten Schicht 20 – 30 μm, während die Isolationsdistanz (B) von dem FR-4-Kern 42 oder den Kupferfolien der zweiten Schicht zu der ersten Schicht 60 – 70 μm beträgt. Die Differenz zwischen den Isolationsdistanzen beruht darauf, dass beide Kupferpasten 45a und 45b und die Kupferleistungselektroden 46a und 46b eine Dicke von 10 – 15 μm aufweisen. Die Differenz bezüglich des Isolationsabstands führt zu einer unzureichenden Impedanz von Signalschaltungen in der ersten Schicht und der zweiten Schicht.

Das dritte Problem, betreffend die erste vorstehend erläuterte herkömmliche Technik, besteht darin, dass Unreinheiten bzw. Verschmutzungen während des Druckens und Trocknens der Kondensatorpasten 45a und 45b und der Kupferpasten 46a und 46b auftreten.

Nachdem die mit einer Dicke von 10 – 15 μm gedruckten Kondensatorpasten 45a und 45b, wie in 1b gezeigt, bei 150°C oder höher für 30 – 90 Minuten getrocknet worden sind, werden die Kupferpasten 46a und 46b darauf gedruckt und getrocknet. Zu diesem Zeitpunkt treten während des Druckvorgangs Unreinheiten auf. Wenn die gedruckten heften auf. Wenn die gedruckten Kupferpasten 46a und 46b getrocknet werden, wird eine Anzahl von Hohlräumen auf Grund der Unreinheiten bzw. Verunreinigungen gebildet. Die Hohlräume führen zu einer unzureichenden Zwischenschicht unmittelbar zwischen den positiven Elektroden und negativen Elektroden, wenn die Kupferpasten 46a und 46b, die mit den Kupferfolien 44a und 44b für die positive Elektroden verbunden sind, auf die Kondensatorpasten 45a und 45b gedruckt und daraufhin getrocknet werden.

Nunmehr wird eine zweite (herkömmliche) Technik unter Bezug auf 3a bis 3c erläutert.

3a bis 3f zeigen Schnittansichten eines Prozesses zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit eingebetteten diskreten Kondensatoren, die durch Auftragen eines foto-dielektrischen Harzes in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik gebildet werden. Die eingebetteten diskreten Kondensatoren werden durch einen Prozess gebildet, der das Auftragen des mit Keramik gefüllten foto-dielektrischen Harzes auf eine gedruckte Schaltkarte vorsieht. Der Prozess wird unter Bezug auf das US Patent Nr. 6349456 erläutert, das für die Motorola Inc. erteilt wurde.

Im Schritt 1 wird eine dielektrische Schicht 14, die Keramikpulver enthält, auf ein Substrat 10 aufgetragen, auf dem eine Leiterschicht 12 gebildet ist, woraufhin sie einer Belichtung und einem Wärmetrocknungsvorgang unterzogen wird (3a).

Im Schritt 2 wird die Laminatkupferfolie 16 auf die Oberfläche der getrockneten dielektrischen Schicht 14 aufgetragen (3b). Die Bezugsziffer 18 bezeichnet eine dünn auf die Kupferfolie 16 plattierte Opferschicht zur Verwendung als Kupferätzresist bzw. -lack.

Im Schritt 3 wird ein trockener Film auf die Opferschicht 18 laminiert und daraufhin belichtet und entwickelt. Die Opferschicht 18 und die Kupferfolie 16 werden geätzt, um obere Elektroden 2Q zu bilden (3c).

Im Schritt 4 wird die unter der oberen Elektrode 20 zu liegen kommende dielektrische Schicht belichtet und daraufhin werden die resultierenden dielektrischen Schichten 22 geätzt. Die oberen Kupferelektroden 20 dienen als Fotomasken für die dielektrische Schicht 14 (3d).

Im Schritt 5 wird die unter den geätzten dielektrischen Schichten 22 liegende Kupferfolie 12 geätzt, um untere Elektroden 24 zu bilden (3e).

Im letzten Schritt 6 wird die Kondensatorschicht 32, die durch die vorausgehenden Schritte 1 bis 5 gebildet wurde, zwischen Isolatoren 26 eingeführt, woraufhin die Metallschichten darauf laminiert werden (3f).

Daraufhin werden die im Innern des laminierten Erzeugnisses vorhandenen Kondensatoren 32 mit entsprechenden Strom- bzw. Stromzufuhranschlüssen und Masseanschlüssen von IC-Chips verbunden, die auf der Außenseite des laminierten Erzeugnisses angebracht sind, und zwar über die Durchgangslöcher (TH) und die per Laser verschlossenen Vialöcher (LBVH).

Das erste Problem, betreffend die zweite herkömmliche Technik, die vorstehend erläutert ist, betrifft die damit verbundenen hohen Herstellungskosten. D. h., um die eingebetteten diskreten Kondensatoren durch Auftragen des mit Keramik gefüllten foto-dielektrischen Harzes 14 auf das Substrat herzustellen, muss sowohl die obere Elektrode 20 wie die untere Elektrode 24 gebildet werden. In dem Fall sind zahlreiche Schritte erforderlich, die die Herstellungskosten stark erhöhen. Da außerdem die Technik das Drucken des foto-dielektrischen Harzes 14 auf die gesamte Oberfläche der unteren Elektroden 12 (eine Kupferfolienschicht), das Belichten und das Ätzen vorsieht, um auf Licht reagierende Bereiche zu entfernen, ist mehr als das erwartete foto-dielektrische Harz erforderlich, um eine kleine Anzahl der eingebetteten Kondensatoren herzustellen. Die Technik ist deshalb aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ungünstig, da relativ viel Rohmaterial verloren geht bzw. eingesetzt werden muss.

Das zweite Problem, betreffend die zweite herkömmliche Technik, die vorstehend erläutert ist, betrifft die Zwischenschicht-Kurzschlüsse zwischen den unteren Elektroden 24.

Die Laminatkupferfolie 16 wird insbesondere in Form einer Schaltung gebildet, um die oberen Elektroden 20 zu bilden. Wenn das foto-dielektrische Harz 14, das unter der Kupferfolie 16 zu liegen kommt, Licht ausgesetzt wird, gefolgt vom Ätzen unter Verwendung eines Ätzmittels zur Entfernung von Bereichen, die auf Licht reagieren, kann die Breite der entfernten Bereiche sehr gering sein. Die geringe Breite birgt das Risiko in sich, dass das nicht geätzte dielektrische Harz 14 auf der Oberfläche der Kupferfolie 12 verbleiben kann. Dies ist deshalb der Fall, weil dann, wenn das foto-dielektrische Harz 14 wärmegehärtet wird (110°C, 60 Min.), ein in dem foto-dielektrischen Harz 14 vorhandenes fotoempfindliches Mittel nicht vollständig zur Reaktion gebracht wird. Das foto-dielektrische Harz 14, das in der unteren Kupferfolie 12 angeordnet ist, kann insbesondere ungeätzt bleiben, was zu einer ungeätzten bzw. nicht geätzten unteren Kupferfolie 12 führt. Schließlich können Zwischenschichtkurzschlüsse zwischen den unteren Elektroden 24 auftreten.

Als nächstes wird die dritte herkömmliche Technik unter Bezug auf 4a bis 4c näher erläutert.

4a bis 4c zeigen Schnittansichten eines Prozesses zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit eingebetteten Kondensatoren durch Einführen einer dielektrischen Schicht mit Kapazitätseigenschaft in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik. Die eingebetteten Kondensatoren werden durch einen Prozess gebildet, der das Einführen einer getrennten dielektrischen Schicht mit Kapazitätseigenschaft in die Innenschicht der gedruckten Schaltkarte vorsieht. Die eingebetteten Kondensatoren, die derart hergestellt sind, sind dazu geeignet, Entkopplungskondensatoren zu ersetzen, die auf der Oberfläche des Substrats angebracht sind. Der Prozess wird unter Bezug auf die US Patente Nrn. 5079069, 5261153 und 5800575 erläutert, die für Sanmina Corp. erteilt wurden.

Im Schritt 1 wird ein trockener Filme auf einem hochgradig elektrischen Kupferbeschichtungslaminat 61 zwischen Kupferfolien 63a und 63b abgeschieden und einer Belichtung und Entwicklung unterzogen. Daraufhin werden die Kupferfolien 63a und 63b geätzt, um Strom- bzw. Stromzufuhrelektroden und Freiräume bzw. Zwischenräume zu bilden (4a).

Im Schritt 2 wird die resultierende Struktur zwischen Isolatoren 64a und 64b eingeführt, woraufhin die Außenschichtkupferfolien 65a und 65b darauf laminiert werden (4b).

Im Schritt 3 werden die im Innern des laminierten Erzeugnisses vorhandenen Kondensatoren mit entsprechenden Strom- bzw. Leistungsanschlüssen und Masseanschlüssen von IC-Chips 68a und 68b verbunden, die auf der Außenseite des laminierten Produkts angebracht sind, und zwar über Durchgangslöcher (TH) und per Laser verschlossene Vialöcher (LBVH). Die Kondensatoren dienen als Stromverteilungsentkopplungskondensatoren (4c). Die Bezugsziffern 67a und 67b bezeichnen eine Freiraum bzw. Abstand zwischen einer Masseelektrode und einer Stromzufuhrelektrode. Wenn die Durchgangslöcher und die per Laser verschlossenen Vialöcher zwischen der Masseelektrode und der Stromelektrode verbunden werden, kommen sie ausreichend weit von der Masseelektrode und der Stromelektrode entfernt zu liegen, um nicht miteinander in Kontakt zu gelangen.

Das erste Problem, betreffend die dritte herkömmliche Technik, die vorstehend erläutert ist, betrifft die niedrige Kapazität auf Grund einer kleinen Dielektrizitätskonstante der eingebetteten Kondensatorschicht.

Im Fall eines Dünnfilms bzw. einer Dünnschicht mit einer Dicke von 10 – 50 μm, wie in 4a gezeigt, wird FR-4 (hergestellt von Sanmina Corp.) mit einer Dicke von 25 μm bzw. 50 μm als dielektrisches Material zwischen den Kupferfolien angeordnet, die als Stromelektroden und Masseelektroden verwendet werden. FR-4 besitzt eine Dielektrizitätskonstante von 4 – 5 und einen Kapazitätswert pro Flächeneinheit von 0,5 – 1 nF/in². Da der Kapazitätswert von FR-4 sehr gering ist im Vergleich zu demjenigen der aktuell verwendeten diskreten Entkopplungschipkondensatoren (100 nf/in²), können Beschränkungen bezüglich der Herstellung eingebetteter Kondensatoren bestehen.

Das zweite Problem der dritten herkömmlichen Technik, die vorstehend erläutert ist, betrifft die Zunahme der Dicke der gedruckten Schaltkarte auf Grund der Einführung von eingebetteten Kondensatorschichten.

Um eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren zu bilden, die hohe Kapazität aufweisen, und zwar auf Grundlage des dielektrischen FR-4-Materials, ist die Einführung bzw. das Einsetzen einer großen Anzahl von eingebetteten Kondensatorschichten erforderlich, wodurch die Dicke der gedruckten Schaltkarte, die hergestellt werden soll, vergrößert wird. Diese Technik ist deshalb aus wirtschaftlichen Gesichtpunkten nachteilig wegen der damit verbundenen erhöhten Herstellungskosten.

Das dritte Problem, betreffend die dritte herkömmliche Technik, die vorstehend erläutert ist, betrifft das Auftreten von Zwischenschichtkurzschlüssen und Rissen zwischen Stromelektroden und Masseelektroden. Im Fall der Verwendung eines dünnen dielektrischen Materials zur Erzielung eines hohen Kapazitätswerts treten während des Trockenfilmlaminierens und der Schaltungsbildung einer oberen Kupferfolie für Stromzufuhrelektroden und einer unteren Kupferfolie für Masseelektroden, wie in 5 gezeigt, Zwischenschichtkurzschlüsse und Risse zwischen den Stromelektroden und Masseelektroden auf.

5 zeigt eine Schnittansicht zur Verdeutlichung eines Problems bezüglich einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren, hergestellt durch einen Prozess, aufweisend das Einführen bzw. Einsetzen einer dielektrischen Schicht mit Kondensator- bzw. Kapazitätseigenschaft in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik. In einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren, die durch Einführen bzw. Einsetzen einer dielektrischen Schicht mit Kondensatoreigenschaft in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik gebildet sind, treten Zwischenschichtkurzschlüsse (mit G bezeichnet) und Risse (mit F bezeichnet) zwischen Stromzufuhrelektroden 92 mit einer Dicke von 18 – 35 μm und Masseelektroden 93 auf einer Schicht 91 hoher Dielektrizität mit einer Dicke von 8 – 10 μm auf, wie in 5 gezeigt.

Andererseits hängt die Kapazität von der Fläche und Dicke eines Kondensators ab und ist durch folgende Gleichung 1 festgelegt: Gleichung 1

wobei ε_r die Dielektrizitätskonstante eines dielektrischen Materials ist, wobei ε₀ eine Konstante in Höhe von 8,885 × 10^–8 ist, wobei A die Oberfläche des dielektrischen Materials ist und wobei D die Dicke des dielektrischen Materials ist. D. h., um Kondensatoren hoher Kapazität zu erzeugen, muss die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials groß sein, die Dicke des dielektrischen Materials muss klein sein und die Oberfläche des dielektrischen Materials muss groß sein. Wenn die Dicke 10 μm beträgt, beträgt außerdem die Kapazität des bimodalen Polymerkeramikverbundstoffs 5 – 7 nF/cm².

In Übereinstimmung mit dem US Patent Nr. 6274224, erteilt für 3M Innovative Properties Co., wird beispielsweise ein dielektrisches Dünnfilm- bzw. Dünnschichtmaterial zwischen den Kupferfolien angeordnet, die als Stromzufuhrelektroden und Masseelektroden angeordnet sind. Das dielektrische Material ist ein Verbundstoff aus BaTiO₃-Keramikpulvern hoher Dielektrizität und einem wärmeaushärtenden Epoxidharz oder Polyimid und es besitzt eine Dicke von 8 – 10 μm. Obwohl das dielektrische Material relativ hohe Kapazität (10 nF/in²) pro Flächeneinheit aufweist, liegen Probleme vor bezüglich Zwischenschichtkurzschlüssen und Rissen zwischen den Stromelektroden und Masseelektroden auf Grund geringer Dicke des dielektrischen Materials.

Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die vorstehend genannten Probleme gemacht worden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren zu schaffen sowie einen Prozess zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte, demnach ein fotoempfindliches Isolationsharz und eine Polymerkondensatorpaste hoher Dielektrizität aufgetragen werden, um eingebettete Kondensatoren zu bilden, wodurch hohe Kapazitätswerte sichergestellt werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren zu schaffen sowie ein Verfahren zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte, wodurch Stromverteilungsentkopplungskondensatoren und diskrete Signalanpassungskondensatoren gleichzeitig gebildet werden können.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren zu schaffen sowie ein Verfahren zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte, wobei die Kapazität pro Flächeneinheit präzise unter Verwendung von fotoempfindlichem Isolationsharz sichergestellt werden kann.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren zu schaffen sowie ein Verfahren zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte, wobei die Dicke des fotoempfindlichen Isolationsharzes, das auf die gesamten Oberflächen der Innenschicht der gedruckten Schaltkarte aufgetragen wird, konstant gehalten werden kann, wodurch das Verfahren auf Erzeugnisse angewendet werden kann, die sogar bei relativ hohen Frequenzen einsetzbar sind.

Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren zu schaffen sowie ein Verfahren zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte, wobei ausschließlich auf gewünschte Bereiche eine Kondensatorpaste aufgetragen werden kann, so dass unnötige Schritte, wie etwa Ätzen von dielektrischem Material, entfallen können, wodurch die Verwendung teurer Rohrmaterialien beschränkt wird und die Herstellung der gedruckten Schaltkarte bei günstigen Kosten möglich ist.

Gelöst werden die vorstehend angeführten Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren, aufweisend die Schritte:

i) Laminieren von trockenen Fotoresistfilmen auf kupferplattiertem FR-4, Belichten und Entwickeln der trockenen Filme und Ätzen der Kupferfolien kupferplattiertem FR-4 zur Bildung unterer Elektroden zur Ausbildung von Kondensatoren;
ii) Auftragen eines fotoempfindlichen Isolationsharzes auf den Oberflächen der unteren Elektroden und Belichten und Entwickeln zum Ätzen des fotoempfindlichen Isolationsharzes;
iii) Auftragen einer Kondensatorpaste auf die geätzten Bereiche und Aushärten der Kondensatorpaste;
iv) Plattieren der oberen Bereiche der ausgehärteten Kondensatorpaste und des fotoempfindlichen Isolationsharzes unter Verwendung eines autokatalytischen Kupferniederschlagsprozesses zur Bildung von Kupferfolienschichten für obere Elektroden;
v) Laminieren fotoempfindlicher trockener Filme auf die Kupferfolienschichten für die oberen Elektroden und Belichten und Entwickeln der fotoempfindlichen trockenen Filme zum Ätzen von Bereichen der trockenen Filme mit Ausnahme der Kupferfolienschichten, wo die oberen Elektroden gebildet werden sollen; und
vi) Ätzen der Bereiche der trockenen Filme mit Ausnahme der Kupferfolienschichten, wo die oberen Elektroden gebildet werden sollen, und Entfernen der trockenen Filme, die auf den oberen Elektroden gebildet sind, so dass die Kondensatorpaste zwischen den oberen und unteren Elektroden diskret positioniert wird, um diskrete Kondensatoren zu bilden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im Schritt ii) das fotoempfindliche Isolationsharz auf die Oberflächen der unteren Elektroden derart aufgetragen, dass die Kondensatorpaste in gleichmäßiger Höhe gedruckt wird und in geätzte Bereiche von Masseelektroden von Stromverteilungsentkopplungskondensatoren und unteren Elektroden von diskreten Signalanpassungskondensatoren gefüllt wird, um als Isolationsschicht zu wirken. Das fotoempfindliche Isolationsharz verbleibt dauerhaft in der gedruckten Schaltkarte, die hergestellt werden soll.

Der Schritt iii) kann außerdem das Auftragen der Kondensatorpaste unter Verwendung eines Siebdruckvorgangs umfassen und das Härten der aufgetragenen Paste in einem Ofentrockner bei 150 – 170°C für 30 Minuten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Kondensatorpaste bevorzugt um einen Verbundstoff aus BaTiO₃-Keramikpulvern hoher Dielektrizität mit einer Dielektrizitätskonstante von 1.000 bis 10.000 und aus wärmehärtendem Epoxidharz oder Polyimid. Die BaTiO₃-Keramikpulver können im Hinblick auf ihre Partikelgröße bimodal sein. D. h., die BaTiO₃- Pulver bestehen aus groben Pulvern mit einem Partikeldurchmesser von 0,9 μm und feinen Pulvern mit einem Partikeldurchmesser von 60 nm bei einem Volumenverhältnis im Bereich von 3:1 – 5:1. Die BaTiO₃-Pulver sind in dem Expoxidharz homogen verteilt. Die dadurch erzielte Verteilung bildet bevorzugt einen Polymerkeramikverbundstoff mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 80 – 90.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Kupferfolienschichten für die oberen Elektro den breitere Stegbereiche auf als die Bereiche, auf die Kondensatorpaste aufgetragenen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Schritt iii) 2 – 3 μm die gedruckte und getrocknete Kondensatorpaste bevorzugt wegpoliert unter Verwendung einer Keramikschwabbelscheibe, um die Höhe so einzustellen, dass sie gleichmäßig ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt iv) das Plattieren von 1 – 2 μm dicken Kupferfolienschichten auf Oberflächen der ausgehärteten Kondensatorpaste und des fotoempfindlichen Isolationsharzes unter Verwendung eines autokatalytischen Niederschlagsprozesses und außerdem das Plattieren von 10 – 15 μm von dicken Kupferfolienschichten auf die autokatalytisch niedergeschlagenen Kupferfolienschichten unter Verwendung eines autokatalytischen Kupferniederschlagsprozesses.

Der Prozess zum Herstellen einer gedruckten Schaltkarte in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann außerdem die Schritte vii) umfassen, die harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten auf die gesamte Oberfläche der oberen Elektroden zu laminieren, und viii) das Bilden von Mikro-Vialöchern und Durchgangslöchern durch die harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten, gefolgt vom Plattieren der Mikro-Vialöcher und der Durchgangslöcher.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten durch einen Aufbauprozess laminiert. Die Durchgangslöcher werden mit den unteren Elektroden verbunden und die Vialöcher werden mit den oberen Elektroden verbunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt viii) das Bilden der Mikro-Vialöcher unter Verwendung von einem Laserbohrvorgang, das Bilden der Durchgangslöcher unter Verwendung eines mechanischen Bohrvorgangs und das Plattieren der Mikro-Vialöcher und der Durchgangslöcher unter Verwendung eines autokatalytischen Niederschlagsprozesses.

Das Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann außerdem den Schritt ix) umfassen, Signalschaltungen bzw. -stromkreise auf den harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten zu bilden und IC-Chips mit unterschiedlichen Betriebsspannungen mit den Signalanpassungskondensatoren und den Stromverteilungsentkopplungskondensatoren zu verbinden, die gemeinsam mit den Masseelektroden verbunden sind, und zwar abhängig von den unterteilten oberen und unteren Elektroden.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren bereit gestellt, aufweisend:

a) Kupferplattiertes FR-4,
b) untere Elektroden für Kondensatoren, die durch Ätzen des kupferumhüllten FR-4 gebildet sind,
c) ein fotoempfindliches Isolationsharz, das auf die Oberflächen der unteren Elektroden aufgetragen ist, wobei vorbestimmte Bereiche des fotoempfindlichen Isolationsharzes geätzt sind,
d) eine Kondensatorpaste, die auf die vorbestimmten Bereiche des fotoempfindlichen Isolationsharzes aufgetragen und gehärtet ist, und
e) Kupferfolienschichten für obere Elektroden, die durch Plattieren der Oberflächen der gehärteten Kondensatorpaste und des fotoempfindlichen Isolationsharzes unter Verwendung eines autokatalytischen Kupferniederschlagsprozesses gebildet sind,
wobei Bereiche mit Ausnahme der Kupferfolienschichten, wo die oberen Elektroden gebildet sind, weggeätzt sind, und wobei die trockenen Filme, die auf den oberen Elektroden gebildet sind, derart entfernt sind, dass die Kondensatorpaste zwischen den oberen Elektroden und den unteren Elektroden zur Bildung diskreter Kondensatoren diskret positioniert zu liegen kommt.

Die vorstehend angeführten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:
1a bis 1e Schnittansichten eines Prozesses zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Polymerdickfilmkondensatoren in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik,
2a bis 2b Schnittansichten der mit der gedruckten Schaltkarte einhergehenden Probleme, die durch den in 1a bis 1e gezeigten Prozess hergestellt ist,
3a bis 3f Schnittansichten eines Prozesses zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten diskreten Kondensatoren, die durch Auftragen eines fotodielektrischen Harzes in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik gebildet sind,
4a bis 4c Schnittansichten eines Prozesses zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren unter Einführung bzw. Einsetzen einer dielektrischen Schicht mit Kapazitätseigenschaft bzw. Kondensatoreigenschaft in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik,
5 eine Schnittansicht zur Verdeutlichung eines mit der gedruckten Schaltkarte einhergehenden Problems, die durch den in 4a bis 4c gezeigten Prozess hergestellt ist,
6 eine Querschnittsansicht einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wobei die Kondensatoren durch Auftragen eines fotoempfindlichen Isolationsharzes und einer Polymerkondensatorpaste gebildet sind, und
7a bis 7i Schnittansichten eines Prozesses zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren und ein Prozess zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren in Überein stimmung mit der vorliegenden Erfindung, wobei die Kondensatoren durch Auftragen eines fotoempfindlichen Isolationsharzes und einer Polymerkondensatorpaste gebildet sind bzw. werden.
Wie in 6 gezeigt, werden Kondensatoren durch Auftragen eines fotoempfindlichen Isolationsharzes 103 auf Kupferfolien gebildet, die auf kupferplattierten FR-5 bzw. FR-4 101 gebildet sind, durch Auftragen von Kondensatorpasten 104a bis 104d auf geätzte Bereiche des fotoempfindlichen Isolationsharzes 103 und durch Bilden oberer Elektroden 105a bis 105d auf Oberflächen des fotoempfindlichen Isolationsharzes. Die gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung besteht üblicherweise aus sechs Schichten, wobei die erste und sechste Schicht die Außenschichten der gedruckten Schaltkarte bezeichnen und wobei die zweiten bis fünften Schichten Stromleitungsschichten (Stromzufuhrschichten) bzw. Masseschichten bezeichnen. Nachfolgend wird die gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf einen Prozess zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte erläutert.
7a bis 7i zeigen Schnittansichten eines Prozesses zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Wie in 7b gezeigt, wird ein fotoempfindliches Isolationsharz 103 mit einer Dicke von 10 – 15 μm aufgetragen und Kondensatorpasten 104a bis 104d werden auf weggeätzte Bereiche 102a bis 102d des fotoempfindlichen Isolationsharzes 103 gedruckt. Wenn eine Kondensatorpaste 104a bis 104d hoher Dielektrizität und mit hoher Kapazität zur Bildung von oberen Elektroden 105a bis 105d gebildet und getrocknet wird, ergibt sich eine Rissbildung der Kondensatorpasten an den Enden der Stromleitungselektroden und außerdem ergibt sich ein ungleichmäßiger Isolationsabstand zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht, wobei diese Probleme beim Stand der Technik durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung vermieden werden.
Die eingebetteten Kondensatoren werden außerdem in einfacher Weise gebildet durch Drucken und Trocknen der Paste zu einem Zeitpunkt gemäß der vorliegenden Erfindung, während die Kondensatoren durch Drucken einer Kupferpaste gebildet werden und daraufhin Trocknen der Kupferpaste in herkömmlichen Prozessen. Das Auftreten von Verunreinigungen wird dadurch während des Druckvorgangs gemäß der vorliegenden Erfindung minimiert.
Da die Kondensatorpasten 104a bis 104d in dem Prozess der vorliegenden Erfindung Verbundstoffe aus BaTiO₃-Keramikpulvern hoher Dielektrizität und einer Dielektrizitätskonstante von 1.000 – 10.000 und einem thermohärtenden Epoxidharz oder Polyimid gebildet sind, stellen sie hohe Kapazität sicher.
Die BaTiO₃-Keramikpulver können insbesondere im Hinblick auf ihre Partikelgröße bimodal sein. D. h., die BaTiO₃- Pulver bestehen aus groben Pulvern mit einem Partikeldurchmesser von 0,9 μm und feinen Pulvern mit einem Partikeldurchmesser von 60 nm bei einem Volumenverhältnis im Bereich von 3:1 – 5:1. Die BaTiO₃-Pulver sind in dem Expoxidharz homogen verteilt. Hierdurch wird ein Polymerkeramikverbundstoff mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 80 – 90 erreicht. Der Polymer keramikverbundstoff wird auf Bereiche 102a bis 102d gedruckt, wo die trockenen Filme weggeätzt sind (7b).
Wenn die trockenen Filme einer Belichtung und Entwicklung unterworfen werden, um zu Gunsten einer konstanten Oberfläche geätzt zu werden, und wenn die Kondensatorpaste auf die geätzten Bereiche mit einer gleichmäßigen Höhe aufgetragen wird, können konstruktionsbedingte Kapazitätswerte präziser sichergestellt werden. Nachdem die Kondensatorpasten 104a bis 104d auf die geätzten Bereiche der trockenen Filme gedruckt und getrocknet worden sind, werden 2 – 3 μm der überfüllten Kondensatorpasten 104a bis 104d wegpoliert unter Verwendung einer Keramikschwabbelscheibe, um die Höhe des fotoempfindlichen Isolationsharzes 103 einzustellen.
Daraufhin werden Kupferfolienschichten mit einer Dicke von 0,5 – 1 μm unter Verwendung eines autokatalytischen Kupferniederschlagsprozesses gebildet und weitere Kupferfolienschichten 105 mit einer Dicke von 12 – 18 μm werden auf den autokatalytisch niedergeschlagenen Kupferfolienschichten unter Verwendung eines autokatalytischen Kupferniederschlagsprozesses abgeschieden, um 15 – 18 μm dicke obere Kupferfolienschichten zu bilden. Um die oberen Elektroden zu bilden, werden Schaltungsmuster bzw. -strukturen auf den oberen Kupferfolienschichten gebildet, auf dem fotoempfindlichen Isolationsharz 103 gebildetes Kupfer wird weggeätzt, um Kupferfolienschichten 105a bis 105d ausschließlich gezielt auf den Kondensatorpasten 104a bis 104d zu bilden.
Da die Technik in Übereinstimmung mit dem Patent, das für die Motorola Inc. erteilt wurde und die vorstehend erläutert ist, das Drucken eines foto-dielektrischen Harzes auf die gesamte Oberfläche der unteren Elektroden, das Belichten mit UV-Licht und das Ätzen zur Entfernung von Bereichen von dielektrischem Material, das mit dem UV-Licht belichtet wurde, vorsieht, ist mehr foto-dielektrisches Harz als erwartet notwendig, um eine kleine Anzahl der eingebetteten Kondensatoren zu bilden. In der vorliegenden Erfindung werden die Kondensatorpasten 104a bis 104d jedoch ausschließlich auf gewünschte Bereiche gedruckt. Die vorliegende Erfindung ist deshalb in wirtschaftlicher Hinsicht insofern vorteilhaft, als weniger Rohmaterialien eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung verwendet außerdem nicht das foto-dielektrische Harz und das Ätzmittel zum Ätzen der foto-dielektrischen Schicht, was wiederum wirtschaftlich von Vorteil ist im Hinblick auf niedrige Herstellungskosten.
Da die Technik in Übereinstimmung mit dem für Sanmina Corp. erteilten Patent, die vorstehend erläutert ist, das Einführen eines FR-4-Harzes zwischen Kupferfolienschichten zur Bildung von Stromverteilungskondensatoren umfasst, ist gemäß dieser Technik die Anzahl der Schichten der Substrate erhöht. In der vorliegenden Erfindung können hingegen auf ein und derselben Schicht, wie in 6 gezeigt, diskrete Signalanpassungskondensatoren (10 – 100 pF, geringe Kapazität, kleine Fläche) für einen EMI-Filter, wie etwa einen ersten Kondensator (102a + 104a + 105a), oder Entkopplungskondensatoren, wie etwa ein zweiter (102b + 104b + 105b) bis einen vierten Kondensator (102d + 104d + 105d) mit einem Stromleitungsabschnitt (VCC) und einem Masseabschnitt (GND) verbunden werden. Die Entkopplungskondensatoren besitzen große Kapazität (10 – 100 nF, große Fläche).
Der Prozess zur Herstellung der gedruckten Schaltkarte mit eingebetteten Kondensatoren in Übereinstimmung mit der vor liegenden Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die 7a bis 7i näher erläutert.
7a bis 7i zeigen Schnittansichten eines Prozesses zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Im Schritt 1 werden trockene Fotoresistfilme auf die Oberflächen von kupferplattierten FR-4 (Copper Clad FR-4) 101 laminiert, bestehend aus Kupferfolien und einem darin angeordneten dielektrischen Harz, woraufhin sie einer Belichtung und Entwicklung unterworfen werden. Daraufhin werden vorbestimmte Bereiche der trockenen Filme weggeätzt, um untere Elektroden 102a bis 102d zu bilden (7a). In diesem Schritt werden die unteren Elektroden 102a bis 102d als Masseelektroden 102b, 102c und 102d von Entkopplungskondensatoren bzw. einer unteren Elektrode 102a eines diskreten Signalanpassungskondensators genutzt.
Im Schritt 2 wird ein fotoempfindliches Isolationsharz 103 auf die Oberflächen der unteren Elektroden 102a bis 102d aufgetragen und einer Belichtung und Entwicklung unterworfen, um Bereiche wegzuätzen, wo eine Kondensatorpaste aufgetragen werden soll (7b). In diesem Schritt wird das fotoempfindliche Isolationsharz 103 einer Belichtung und Entwicklung unterworfen, um geätzt zu werden, um eine konstante Fläche und konstante Höhe bereit zu stellen und damit eine gleichmäßige Kapazität. Außerdem wird das fotoempfindliche Isolationsharz 103 in geätzte Bereiche (mit F bezeichnet) zwischen die Masseelektroden 102b, 102c und 102d der Entkopplungskondensatoren und die untere Elektrode 102a der diskreten Signalanpassungskondensatoren gefüllt, um als Isolationsschicht zu wirken. Das fotoempfindliche Isolationsharz 103 verbleibt dauerhaft in der gedruckten Schaltkarte, die hergestellt werden soll.
Im Schritt 3 werden Kondensatorpasten 104a bis 104d auf Bereiche dort aufgetragen, wo das fotoempfindliche Isolationsharz 103 geätzt ist, und daraufhin gehärtet (7c). Insbesondere werden die Kondensatorpasten 104a bis 104d unter Verwendung eines Siebdruckvorgangs aufgetragen und daraufhin in einem üblichen Ofentrockner bei 150 – 170°C für 30 Minuten getrocknet. 2 – 3 μm der gedruckten und getrockneten Kondensatorpasten 104a bis 104d werden unter Verwendung einer Keramikschwabbelscheibe wegpoliert, um die Höhe des fotoempfindlichen Isolationsharzes 103 einzustellen.
Im Schritt 4 wird ein Plattierungsvorgang auf Oberflächen der ausgehärteten Kondensatorpasten 104a bis 104d und des fotoempfindlichen Isolationsharzes 103 ausgeführt, um Kupferfolienschichten 105 zu bilden. Insbesondere werden 1 – 2 μm dicke Kupferfolienschichten auf Oberflächen der gehärteten Kondensatorpasten 104a bis 104d und des fotoempfindlichen Isolationsharzes 103 unter Verwendung eines autokatalytischen Niederschlagsprozesses gebildet und außerdem werden etwa 10 – 15 μm dicke Kupferfolienschichten 105 auf dem autokatalytisch niedergeschlagenen Kupferfolienschichten unter Verwendung eines autokatalytischen Niederschlagsprozesses gebildet (7d).
Im Schritt 5 werden trockene Fotoresistfilme 106a bis 106d auf die Kupferfolienschichten 105 laminiert und einer Belichtung und Entwicklung unterworfen, um Bereiche 106a bis 106d der trockenen Filme mit Ausnahme der Kupferfolienschichten wegzuätzen, wo die oberen Elektroden gebildet werden sollen.
In diesem Schritt weisen die Kupferfolienschichten 105 für die oberen Elektroden breitere Stegbereiche auf als die Bereiche, die durch die Kondensatorpasten 104a bis 104d (7d) gebildet sind.
Im Schritt 6 werden Bereiche mit Ausnahme der Kupferfolienschichten 105, wo die oberen Elektroden gebildet werden sollen, geätzt, und die trockenen Filme, die auf den oberen Elektroden gebildet sind, werden entfernt, so dass die Kondensatorpasten 104a bis 104d diskret zwischen den oberen Elektroden 105a bis 105d und den unteren Elektroden 102a bis 102d zur Bildung diskreter Kondensatoren zu liegen kommen (7f).
Im Schritt 7 werden harzbeschichtete Kupfer(RCC)schichten (107a + 108, 107b + 108b) auf die Kondensatoren laminiert, die durch die oberen Elektroden 105a bis 105d gebildet sind, und zwar unter Verwendung eines Aufbauprozesses (7g).
Im Schritt 8 werden Mikro-Vialöcher 110 durch die harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten (107a + 108, 107b + 108b) gebildet und Durchgangslöcher 109 werden unter Verwendung eines mechanischen Bohrvorgangs gebildet. Daraufhin wird ein Plattieren bzw. autokatalytisches Niederschlagen auf den Vialöchern 110 und den Durchgangslöchern 109 ausgeführt unter Verwendung eines autokatalytischen Niederschlagsprozesses. In diesem Schritt werden die Vialöcher 110 mit den oberen Elektroden 105a bis 105d verbunden und die Durchgangslöcher 109 werden mit den unteren Elektroden 102a bis 102d verbunden (7h).
Im Schritt 9 werden Signalschaltungsmuster bzw. -strukturen 116 auf den harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten (107a + 108, 107b + 108b) gebildet. Daraufhin werden IC-Chips 111 bis 115 mit unterschiedlichen Betriebsspannungen mit dem Stromverteilungsentkopplungskondensatoren (ein erster, ein zweiter und ein dritter Kondensator) verbunden, die gemeinsam mit den Masseelektroden 102a bis 102d verbunden sind, und mit einem Signalanpassungskondensator (erster Kondensator), der einzeln mit den Masseelektroden verbunden ist, abhängig von den unterteilten oberen Elektroden 105a bis 105d und den unteren Elektroden 102a bis 102d. Eine mehrschichtige gedruckte Schaltkarte mit dem darin eingebetteten Signalanpassungskondensator und den Stromverteilungsentkopplungskondensatoren wird dadurch hergestellt (7i). Die ersten bis vierten Kondensatoren werden der Einfachheit halber als "Kondensatorpasten" bezeichnet, umfassen jedoch zusätzlich die oberen Elektroden 105a bis 105d und die unteren Elektroden 102a bis 102d zusätzlich zu den Kondensatorpasten 104a bis 104d. Die Bezugsziffer 117 bezeichnet Drahtverbindungen zum Verbinden der IC-Chips 111 bis 115 mit den Kondensatoren.
Wie vorstehend angesprochen, wird in der Technik der Sanmina Corp. eine FR-4- (Dk 4.5) Schicht bzw. -folie als dielektrisches Material zum Bilden von Kondensatoren verwendet, während zum Bilden der Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Keramikpulver enthaltendes Epoxidharz (Dk 70 – 90) in Form einer Paste verwendet wird. Die zuerst genannten Kondensatoren weisen eine Kapazität von 350 – 400 pF/cm² auf (wenn die Isolationsdicke 10 μm beträgt), während die zuletzt genannten (erfindungsgemäßen) Kondensatoren eine Kapazität von 5 – 7 nF/cm² aufweisen (wenn die Isolationsdicke 10 μm beträgt), was einem Faktor von etwa 12 bis 16 entspricht, um den die Kapazität der erfindungsgemäßen Kondensatoren höher als diejenige der bisherigen Kondensatoren ist. Die eingebetteten Kondensatoren, die in der vorliegenden Erfindung ver wendet werden, stellen demnach eine hohe Kapazität, insbesondere eine hohe Kapazität pro Flächeneinheit bereit.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können die Stromverteilungsentkopplungskondensatoren 104b, 104c und 104d gemäß Sanmina Corp. und der diskrete Signalanpassungskondensator 104a von Motorola Inc., verwendet in einem Radiofrequenz(RF)modul, gleichzeitig gebildet werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird das fotoempfindliche Isolationsharz 103 einer Belichtung und Entwicklung unterworfen, woraufhin die Polymerkondensatorpasten 104a bis 104d auf diejenigen Bereiche aufgetragen werden, wo das fotoempfindliche Isolationsharz geätzt bzw. weggeätzt ist, wodurch die Kapazität pro Flächeneinheit präziser sichergestellt wird und vermieden wird, dass während des Druckvorgangs Druckexzentrizität auftritt.
Sobald sie mit den oberen Elektroden 105a bis 105d durch die Mikro-Vialöcher 110 verbunden sind, werden die Kondensatorpasten 104a bis 104d mit den Stegen bzw. Stegbereichen verbunden anstatt mit den oberen Elektroden auf den Kupferpasten 104a bis 104d. Die Kondensatorpasten 104a bis 104d werden deshalb durch Wärmeschocks und mechanische Schocks während der Ausbildung der Mikro-Vialöcher unter Verwendung eines Laserbohrvorgangs nicht beeinträchtigt.
Da die Verwendung des fotoempfindlichen Isolationsharzes 103 außerdem eine gleichmäßige Dicke sicherstellt, können die Mikro-Vialöcher 110 mit gleichmäßiger Tiefe unter Verwendung eines Laserbohrvorgangs gebildet werden und die Isolationsschicht zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht kann gleichmäßige Dicke aufweisen. Der Prozess zur Herstel lung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann also angewendet werden, um Produkte herzustellen, die selbst bei hohen Frequenzen einsetzbar sind.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden ein fotoempfindliches Isolationsharz und eine Polymerkondensatorpaste aufgetragen, um eingebettete Kondensatoren zu bilden, wodurch hohe Kapazitätswerte sichergestellt werden, insbesondere hohe Kapazitäten pro Flächeneinheit mit größerer Präzision.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können Stromverteilungs- und Kopplungskondensatoren und diskrete Signalanpassungskondensatoren gleichzeitig gebildet werden.
Da in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Dicke des fotoempfindlichen Isolationsharzes, das auf die gesamten Oberflächen der Innenschicht der gedruckten Schaltkarte aufgetragen ist, konstant gehalten werden kann, können Produkte bereit gestellt werden, die selbst bei relativ hohen Frequenzen nutzbar sind.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann eine Kondensatorpaste ausschließlich auf die gewünschten Bereiche eines fotoempfindlichen Isolationsharzes gedruckt werden, so dass ein Ätzmittel zum Ätzen des fotoempfindlichen Isolationsharzes nicht erforderlich ist, wodurch die Verwendung teurer Rohmaterialien eingeschränkt wird. Die gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren in Übereinstimmung mit der Erfindung kann deshalb kostengünstig hergestellt werden.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Illustrationszwecken vorstehend offenbart sind, erschließen sich dem Fachmann zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren, aufweisend die Schritte: i) Laminieren von trockenen Fotoresistfilmen auf kupferplattiertes FR-4, Belichten und Entwickeln der trockenen Filme und Ätzen der Kupferfolien des kupferplattierten FR-4 zur Bildung von unteren Elektroden zur Ausbildung von Kondensatoren, ii) Auftragen eines fotoempfindlichen Isolationsharzes auf die Oberflächen der unteren Elektroden und Belichten und Entwickeln zum (Weg-) Ätzen des fotoempfindlichen Isolationsharzes, iii) Auftragen einer Kondensatorpaste auf die weggeätzten Bereiche und Härten der Kondensatorpaste, iv) Plattieren der oberen Bereiche der gehärteten Kondensatorpaste und des fotoempfindlichen Isolationsharzes unter Verwendung eines autokatalytischen Kupferniederschlagsprozesses zur Bildung von Kupferfolienschichten für obere Elektroden, v) Laminieren fotoempfindlicher trockener Filme auf die Kupferfolienschichten für die oberen Elektroden und Belichten und Entwickeln der fotoempfindlichen trockenen Filme zum (Weg-) Ätzen von Bereichen der trockenen Filme mit Ausnahme der Kupferfolienschichten, wo die oberen Elektroden gebildet werden sollen, und vi) Wegätzen der Bereiche der trockenen Filme mit Ausnahme der Kupferfolienschichten, wo die oberen Elektroden gebildet werden sollen, und Entfernen der trockenen Filme, die auf den oberen Elektroden gebildet sind, so dass die Kondensatorpaste diskret zwischen den oberen und un teren Elektroden zur Bildung diskreter Kondensatoren zu liegen kommt.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 1, wobei im Schritt ii) das fotoempfindliche Isolationsharz auf die Oberflächen der unteren Elektroden derart aufgetragen wird, dass die Kondensatorpaste mit gleichmäßiger Höhe gedruckt wird.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 1, wobei im Schritt ii) das fotoempfindliche Isolationsharz in die geätzten Bereiche der Masseelektroden von Stromverteilungsentkopplungskondensatoren und unteren Elektroden von diskreten Signalanpassungskondensatoren gefüllt wird, um als Isolationsschicht zu wirken, die es dauerhaft in der gedruckten Schaltkarte verbleibt.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 1, wobei der Schritt iii) außerdem das Auftragen der Kondensatorpaste unter Verwendung eines Siebdruckvorgangs umfasst und das Aushärten der aufgetragenen Kondensatorpaste in einem Ofentrockner bei 150 – 170°C für 30 Minuten.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 1, wobei die Kondensatorpaste ein Verbundstoff aus BaTiO₃-Keramikpulvern hoher Dielektrizität mit einer Dielektrizitätskonstante von 1.000 bis 10.000 ist und wärmeaushärtendem Epoxidharz oder Polyimid besteht.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 1, wobei die Kondensatorpaste ein Polymerkeramikverbundstoff mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 80 – 90 ist und wobei der Polymerkeramikverbundstoff durch homogenes Verteilen von BaTiO₃-Pulvern gewonnen wird, bestehend aus groben Pulvern mit einem Partikeldurchmesser von 0,9 μm und feinen Pulvern mit einem Partikeldurchmesser von 60 nm (bimodale Form) in dem Epoxidharz mit einem Volumenverhältnis im Bereich von 3:1 – 5:1.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 1, wobei die Kupferfolienschichten für die oberen Elektroden breitere Stegbereiche als die Bereiche aufweisen, auf die die Kondensatorpaste aufgetragen ist.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 1, wobei der Schritt iii) außerdem das Wegpolieren von 2 – 3 μm der gedruckten und getrockneten Kondensatorpaste unter Verwendung einer Keramikschwabbelscheibe umfasst, um die Höhe so einzustellen, dass sie gleichmäßig ist.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 1, wobei der Schritt iv) das Plattieren von 1 – 2 μm dicken Kupferfolienschichten auf Oberflächen der ausgehärteten Kondensatorpaste und des fotoempfindlichen Isolationsharzes unter Verwendung eines autokatalytischen Niederschlagsprozesses umfasst sowie außerdem das Plattieren von 10 – 15 μm dicken Kupferfolienschichten auf die autokatalytisch niedergeschlagenen Kupferfolienschichten un ter Verwendung eines autokatalytischen Kupferniederschlagsprozesses.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 1, außerdem aufweisend die Schritte: vii) Laminieren von harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten auf die gesamte Oberfläche der oberen Elektroden, und viii) Bilden von Mikro-Vialöchern und Durchgangslöchern durch die mit harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten, gefolgt vom Plattieren der Mikro-Vialöcher und der Durchgangslöcher.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 10, wobei die harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten durch einen Aufbauprozess laminiert werden.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 10, wobei die Durchgangslöcher mit den unteren Elektroden und die Vialöcher mit den oberen Elektroden verbunden werden.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 10, wobei der Schritt viii) das Bilden der Mikro-Vialöcher unter Verwendung eines Laserbohrvorgangs, das Bilden der Durchgangslöcher unter Verwendung eines mechanischen Bohrvorgangs und das Plattieren der Mikro-Vialöcher und der Durchgangslöcher unter Verwendung eines autokatalytischen Niederschlagsprozesses umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 10, außerdem aufweisend den Schritt ix), Signalschaltungen auf den harzbeschichteten Kupfer(RCC)schichten zu bilden und IC-Chips mit unterschiedlichen Betriebsspannungen mit den Signalanpassungskondensatoren und den Stromverteilungsentkopplungskondensatoren zu verbinden, die gemeinsam mit den Masseelektroden verbunden sind, und zwar abhängig von den unterteilten oberen Elektroden und unteren Elektroden.
Gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren, aufweisend: a) kupferplattiertes FR-4, b) untere Elektroden für Kondensatoren, die durch Ätzen des kupferplattierten FR-4 gebildet sind, c) ein fotoempfindliches Isolationsharz, das auf die Oberflächen der unteren Elektroden aufgetragen ist, wobei vorbestimmte Bereiche des fotoempfindlichen Isolationsharzes weggeätzt sind, d) eine Kondensatorpaste, die auf die vorbestimmten Bereiche des fotoempfindlichen Isolationsharzes aufgetragen und ausgehärtet ist, und e) Kupferfolienschichten für obere Elektroden, die durch Plattieren der Oberflächen der ausgehärteten Kondensatorpaste und des fotoempfindlichen Isolationsharzes gebildet sind unter Verwendung eines autokatalytischen Kupferniederschlagsprozesses, wobei Bereiche mit Ausnahme der Kupferfolienschichten, wo die oberen Elektroden gebildet sind, weggeätzt sind, und wobei die trockenen Filme, die auf den oberen Elektroden gebildet sind, derart entfernt sind, dass die Kondensatorpaste diskret zwischen den oberen Elektroden und den unteren Elektroden zu liegen kommt, um diskrete Kondensatoren zu bilden.
Gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 15, wobei das fotoempfindliche Isolationsharz auf die Oberflächen der unteren Elektroden derart aufgetragen ist, dass die Kondensatorpaste mit gleichmäßiger Höhe gedruckt ist.
Gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 15, wobei das fotoempfindliche Isolationsharz in geätzte Bereiche der Masseelektroden der Stromverteilungsentkopplungskondensatoren und unteren Elektroden der diskreten Signalanpassungskondensatoren gefüllt ist, um als Isolationsschicht zu wirken, wobei es dauerhaft in der gedruckten Schaltkarte verbleibt.
Gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 15, wobei die Kondensatorpaste ein Verbundstoff aus BaTiO₃-Keramikpulvern hoher Dielektrizität mit einer Dielektrizitätskonstante von 1.000 bis 10.000 ist und wärmeaushärtendem Epoxidharz oder Polyimid besteht.
Gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 15, wobei die Kondensatorpaste ein Polymerkeramikverbundstoff mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 80 – 90 ist, wobei der Polymerkeramikverbundstoff durch homogenes Verteilen der BaTiO₃-Pulver gewonnen ist, bestehend aus groben Pulvern mit einem Partikeldurchmesser von 0,9 μm und feinen Pulvern mit einem Partikeldurchmesser von 60 nm (bimodale Form) in dem Epo xidharz mit einem Volumenverhältnis im Bereich von 3:1 – 5.1.
Gedruckte Schaltkarte mit darin eingebetteten Kondensatoren nach Anspruch 15, wobei die Kupferfolienschichten für die oberen Elektroden breitere Stegbereiche als die Bereiche aufweisen, auf die die Kondensatorpaste aufgetragen ist.