DE19716044A1 - Verfahren zur Herstellung von festen Lotdepots auf Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanotechnischen Herstellung von festen, planen und gut lötfähigen Lotdepots auf Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Leiterplatten enthalten auf ihrer Oberfläche Pads (Kupferflächen), auf die unter Verwendung von Zinn-Blei-Lot Bauelemente aufgelötet werden. Beim Aufschmelzlöten oberflächenmontierter Bauelemente muß das notwendige Lot in Form eines Depots zur Verfügung gestellt werden.

Für die Bestückung ausgelieferte Leiterplatten bestehen aus voneinander elektrisch getrennten metallischen Leiterzügen und Metallflächen (Pads) auf isolierendem Träger. Die Leiterzüge sind meist durch einen Oberflächenschutz (Lötstopplack), der sich mit Ausnahme der Pads über die gesamte Leiterplattenfläche zieht, geschützt. Auf die Pads werden oberflächenmontierte Bauelemente unter Verwendung von Zinn-Blei-Lot durch Aufschmelzlöten aufgelötet (Montage). Dazu muß die erforderliche Lotmenge durch ein vorher auf die Pads aufgebrachtes Lotdepot zur Verfügung gestellt werden. Diese Lotdepots müssen definierte Abmessungen und insbesondere eine relativ große Höhe haben. Weiterhin müssen die Oberflächen plan sein, damit das aufschmelzende Lot beim Löten die Bauelementanschlüsse umschließt, denn Lot bildet beim Aufschmelzen eine kugelförmige Oberfläche auf Grund der Oberflächenspannung aus. Das Depot wird dadurch höher. Aus diesem Grund sind vor der Montage aufgeschmolzene Lotdepots oder schmelzflüssig aufgebrachtes Lot nicht geeignet.

Zu den bekannten Verfahren zur Herstellung dieser Lotdepots zählt der Sieb- oder Schablonendruck von Lotpasten. Dieses Verfahren wird derzeit weitestgehend angewendet. Es werden zwar plane Depots erzeugt, die jedoch nicht fest sind und damit durch mechanische Beanspruchung zerstört werden können. Damit muß der Anwender diesen Arbeitsgang unmittelbar vor dem Montageprozeß ausführen. Angestrebt werden deshalb feste Lotdepots, die vom Leiterplattenhersteller vorkonfektioniert geliefert werden. Weiterhin ist der Sieb- oder Schablonendruck für Feinstruktur-Anwendungen nicht mehr präzise genug. Durch seitlich unter dem Sieb oder der Schablone austretendes Lot oder durch beim Aufsetzen der Bauelemente verdrücktes Lot können Lotperlen auf der isolierten Oberfläche oder Kurzschlüsse entstehen, die die Qualität der Leiterplatten verringern.

Verfahren zum Planieren aufgeschmolzener Lotdepots sind bekannt. In durch eine zusätzliche wieder entfernbare Resistschicht hergestellte Kavitäten wird Lot (als Paste oder schmelzflüssig) eingebracht (EP 0 487 782), aufgeschmolzen und durch einen Walzvorgang planiert (EP 0 681 416 ). Das Verfahren ist kompliziert, nicht zuverlässig genug und ebenfalls nur bedingt für feine Strukturen verwendbar. Auch das Formen mittels Matrizen (EP 0540 497) oder das Anpressen von gestanzten Lotfolien (DE 195 35 622) findet Anwendung, ist jedoch für feine Strukturen nicht anwendbar. Durch den Walzvorgang werden Oxide gebildet und in die Oberfläche eingearbeitet, wodurch die Lötfähigkeit beeinträchtigt wird.

Weiterhin ist der galvanische Auftrag fester dicker Lotschichten auf die Pads bekannt. Dies ist ein wirtschaftlich günstigstes Verfahren zur Herstellung relativ dicker Metallschichten. In der DE 43 07 784 wird dieses Verfahren eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird die galvanische Lotabscheidung bereits in einer Vorstufe im Leiterplattenherstellungsprozesses, wenn die leitende Kupferkaschierung noch vorhanden ist, durchgeführt. Danach wird aber das aufgebrachte Lotdepot im weiteren Leiterplattenherstellungsprozeß durch die nachfolgen den Arbeitsschritte, insbesondere den Ätzprozeß chemisch und durch die Aushärtung des Lötstopplackes (Oberflächenschutz) thermisch stark korrodiert. Ergebnis ist eine schlechte Lötbarkeit.

Insbesondere durch die geforderte Höhe der Beschichtung und die Materialmenge, können bekannte chemische stromlose Abscheidungsverfähren durch z. B. Ladungsaustausch nicht Anwendung finden, da nur geringe Materialmengen abgeschieden werden können. Lediglich die galvanisierte Abscheidung mittels Strom ist produktiv genug, um feste Lotdepots ausreichender Höhe mit planer Oberfläche herzustellen.

Es ist außerdem bekannt, Kunststoffflächen galvanisch mit einer Metallschicht zu versehen. Dazu werden diese Flächen herkömmlich mit leitfähigen Materialien beschichtet, auf die dann galvanisiert werden kann. Bekannt sind Beschichtungen mit Graphit oder Ruß, mit intrinsisch leitfähigen Polymeren (DE 42 27 836 oder DE 195 02 988), mit Metallic-Grundlack (PS 36 37 088). Diese Schichten können auch maskiert werden, damit eine selektive Beschichtung erfolgen kann (PS 36 37 088). Diese Verfahren dienen jedoch dazu, die nichtleitenden Flächen galvanisch zu beschichten. Meist verbleibt die leitfähige Beschichtung oder ein Teil eines zusammengesetzten Lackes (PS 36 37 088) unter der aufzugalvanisierenden Metallschicht als Haftvermittler. Die Leitfähigkeit dieser aufgebrachten Materialien ist meist für die Stromleitung für eine galvanische Abscheidung zu gering.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige strukturierte galvanische Abscheidung von festen, planen und gut lötfähigen Lotdepots mittels elektrischem Strom auf bereits strukturierten Leiterplatten zu ermöglichen. Um die abgeschiedenen Metallschichten jedoch durch nachfolgende chemische und thermische Prozesse wenig zu schädigen, muß die Abscheidung möglichst als letzter Arbeitsgang vor der Montage erfolgen. In diesem Bearbeitungszustand sind die Pads auf der Leiterplatte nicht mehr elektrisch miteinander verbunden, wodurch die galvanische Abscheidung mittels Strom ungeeignet erscheint.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Auf die gesamte Oberfläche der strukturierten und mit Lötstopplack abgedeckten Leiterplatte wird eine zusätzliche leitfähige Schicht aufgebracht. Diese Leitschicht kann aus reinem Metall bestehen (z. B. eine aufgesputterte Al-Schicht, eine chemisch/fremdstromlos nach bekanntem Verfahren aufgebrachte Kupferschicht) oder aus einem gut leitfähigen Polymer (z. B. Polymerlack oder fotostrukturierbarer Lack, der mit Metallpulver oder leitfähigen anorganischen oder organischen Verbindungen gefüllt ist oder ein intrinsisch leitfähiges Polymer hoher Leitfähigkeit) oder einem sandwichartigen Verbund einer reinen Polymerfolie (z. B. Fotoresist) mit einer leitfähigen Schicht (z. B. metallgefülltes Polymer) bestehen. Die Sandwichfolie wird dann mit der leitfähigen Seite auf die Isolier- und Metallflächen auflaminiert.

Diese temporäre Leitschicht wird mit einer strukturierbaren Abdeckung (temporärer Lackabdeckung) versehen, damit sie bei dem nachfolgenden Galvanikprozeß nicht mit beschichtet wird. Die Strukturierung kann durch strukturierten Auftrag (Siebdruck o. ä.) oder durch fotolithografische Prozesse eines üblichen Fotolackes erfolgen. Die Pads bleiben frei oder werden durch fotolithografische Bearbeitung (Belichten, Entwickeln) der Abdeckung freigelegt. Diese Abdeckung braucht nicht zu erfolgen, wenn die Leitschicht auf Grund ihres Aufbaues (Sand­ wich-Aufbau) oberflächlich nicht leitfähig ist.

Auf den freigelegten Metallflächen wird die temporäre Leitschicht von den Pads so entlernt, daß nur die Ränder des Pads elektrisch kontaktiert werden, die Padfläche jedoch frei von Fremdschichten ist. Das kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, daß die Leitschicht selbst fotolithografisch bearbeitbar und damit bereits mit belichtet und entwickelt wird (Leitmaterial gemischt mit fotostrukturierbarem Lack) oder leicht löslich oder ätzbar ist.

In die entstandenen Kavitäten werden galvanotechnisch aus einem Elektrolyten unter Verwendung der temporalen Leitschicht zur Stromübertragung auf die damit kathodisch geschalteten Pads nach üblichem Verfahren eine oder mehrere Schichten der aufzutragenden Metalle oder sonstige durch galvanische Verfahren abscheidbare Materialien abgeschieden. Damit entsteht das feste Lotdepot.

Die temporäre Lackabdeckung und die temporäre Leitschicht werden durch milde Verfahren wieder entfernt. Die Oberfläche der Leiterplatte, insbesondere der vorhandene Oberflächenschutz wird nicht verändert. Die so behandelte Leiterplatte wird dann direkt ohne weitere Behandlung ihrer Bestimmung zugeführt.

Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren feste Lotdepots hergestellt werden, die eine plane Oberfläche besitzen, die durch nur geringe chemische und thermische Beanspruchung wenig verändert ist, so daß die gute Lötfähigkeit erhalten bleibt. Weiterhin zeichnet sich das Verfahren durch wenige Arbeitsschritte (fotolithografische Strukturierung und Galvanisierung) aus. Das Verfahren ist auch geeignet, andere galvanisch herstellbare Materialaufbauten auf vereinzelt liegenden Metallflächen zu realisieren.

Durch die Strukturierung können auch Metallflächen, die nicht beschichtet werden sollen (zum Bonden vorbereitete Flächen, Durchkontaktierungen) und nicht durch den Oberflächenschutz geschützt sind, unbeschichtet bleiben.

Die Erfindung wird zunächst nachstehend anhand der Zeichnung erläutert:

In den Fig. 1-6 wird die Abfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zum Vorliegen der erfindungsgemäßen Leiterplatte dargestellt.

Fig. 1 zeigt zunächst eine typische Leiterplatte, auf der die zu galvanisierenden Metallflächen (Pads) für die Aufnahme der Lotdepots (1) und nicht zu galvanisierende Metallflächen (2) bzw. Leitezüge (3) dargestellt sind. Die nicht zu galvanisierenden Metallflächen sind schon durch einen Oberflächenschutz (Lötstopplack) abgedeckt.

Fig. 2 zeigt diese Leiterplatte im Querschnitt mit den vorhandenen Pads aus Kupfer (1) und dem Lötstopplack (4), sowie dem isolierenden Träger (Basismaterial) (5) der Leiterplatte.

Fig. 3 stellt den ganzflächigen Auftrag der temporären Leitschicht (6) auf die Oberfläche der Trägerplatte und die aufgetragene temporäre Lackabdeckung (7) dar. Beide Schichten können nacheinander oder auch im Verbund miteinander auf die Oberfläche aufgebracht werden. Im letzteren Falle muß die Leitschicht so verformbar sein, daß sie an den Kanten des Oberflächenschutzes nicht reißt. Wird im Siebdruck oder einem ähnlichen strukturierten Auftragsverfahren die temporäre Lackabdeckung (7) aufgebracht, ist sie dann bereits wie in Fig. 4 strukturiert.

In Fig. 4 ist die temporäre Lackabdeckung (7) strukturiert und die Leitschicht (6) von den zu beschichtenden Pads (1) entfernt. Die Strukturierung kann fotolithografisch erfolgen (wenn der Auftrag nicht bereits durch Siebdruck strukturiert erfolgt ist). Bei der fotolithografischen Strukturierung wird die temporäre Lackabdeckung so mit UV-Licht durch eine Fotovorlage belichtet, daß durch nachfolgende Entwicklung die zu galvanisierenden Flächen freigelegt werden. Es entstehen Kavitäten, in die später die Lotdepots eingebracht werden. Metallflächen oder Teile davon, die nicht galvanisch beschichtet werden sollen (2), bleiben bedeckt, wenn dies bei der Belichtung berücksichtigt wird. Wird insbesondere die Fotovorlage so gestaltet, daß ein schmaler Randbereich des Pads bedeckt bleibt, ist gewährleistet, daß die temporäre Leitschicht stets auf der Metallfläche endet. Ist dies nicht der Fall, können dort, wo die temporäre Leitschicht keinen Kontakt mit Metallflächen hat, vagabundierende Beschichtungen an den Flanken der Metallschicht auf den Isoliermaterialien oder dem Oberflächenschutz entstehen, die zwar mechanisch (weil nicht haftfest) entfernt werden können, jedoch zusätzlichen Aufwand erfordern. Durch überstehende temporäre Lackabdecktung wird auch vermieden, daß beim Entfernen der temporären Leitschicht von der Metallfläche die elektrische Leitung an den Flanken mit zerstört wird.

Fig. 5 stellt die galvanische Abscheidung der Zinn-Blei-Legierung bzw. des Lotdepots (8) in die Kavitäten dar. Die galvanische Abscheidung kann über den Rand der Abdeckung hinaus erfolgen, jedoch muß dann mit seitlichem Überwachsen gerechnet werden. Die mögliche Höhe der Beschichtung richtet sich nach der Dicke der temporären Lackabdeckung und dem auf Grund der Feinstruktur (Nähe benachbarter Metallflächen) möglichen seitlichen Überhang. An Stelle eines Metalles oder einer Metallegierung (Zinn/Blei-Lot für Reflow-Lötverfahren) kann auch ein sandwichartiger Metallaufbau aus verschiedenen galvanischen abscheidbaren Materialien in die Kavitäten eingebracht werden, wie z. B. ein Aufbau aus Kupfer mit oberflächlicher Nickel-Gold Abscheidung als Bondfläche oder palladiumbeschichtete Kontakte.

Fig. 6 stellt die fertige Leiterplatte im Querschnitt dar. Die temporäre Lackabdeckung (7) und die temporäre Leitschicht (6) würden rückstandslos entfernt. Auf Grund der Herstellung ist die Oberfläche der aufgebrachten Metallschicht an der Oberfläche plan. Sie eignet sich besonders gut zum optimalen Aufsetzen vielpoliger SMD-Bauelemente, die dann durch Reflow-Löten kontaktiert werden sollen. Die Oberfläche des Lotdepots (8) ist chemisch und thermisch nahezu unbeeinflußt, da nach der galvanischen Abscheidung lediglich das Strippen der temporären Lackabdeckung und der temporalen Leitschicht erfolgt. Dieses Strippen kann in milden Strippern erfolgen. Die temporäre Leitschicht kann dabei in einem Arbeitsgang mit entlernt werden, wenn das Bindemittel oder die Schicht in dem gleichen Strippmittel entfernbar ist. Eine dünne Metallschicht aus Aluminium kann z. B. mit Hilfe verdünnter Saure oder Lauge, die wenig schädigend wirkt und nur kurzzeitig verwendet werden muß, entfernt werden. Eine thermische Belastung, wie sie beim Aushärten von Lötstopplack oder ähnlichem Oberflächenschutz entsteht, entfällt im Gegensatz zu anderen Verfahren, da dieser Oberflächenschutz vor und nicht nach der galvanischen Lotdepotherstellung angebracht werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Beispiel 1

Auf die ganze Oberfläche einer strukturierten und mit Lötstopplack beschichtete Leiterplatte, die noch nicht beschnitten, also noch mit Galvanorand (ein Kupferstreifen, der beim Herstellungsprozeß der Leiterplatte benötigt wird) versehen ist, wird eine Aluminiumschicht als temporäre Leitschicht (6) von 1 µm Dicke mit üblichem Verfahren im Vakuum aufgesputtert. Darauf wird ein sehr flexibler Fotofestresist als temporäre Lackabdeckung (7) laminiert, dieser Festresist wird mittels UV-Licht durch eine positive Fotoschablone belichtet. Beim Entwickeln mit 1%-iger Sodalösung löst sich der Festresist an den unbelichteten Stellen, über den Pads (1), und gleichzeitig löst sich die dünne Aluminiumschicht. Jetzt wird mit 4 A/dm², bezogen auf die frei liegenden Padflächen, aus einem sulfonsaurem Zinn-Blei-Elektrolyten 30 min galvanisiert. Dabei wird der Strom über den Galvanorand der Leiterplatte und die Al-Schicht auf die Pads geführt. Dadurch entstehen ca. 60 µm dicke Zinn-Blei-Depots (8). Der Fotolack wird mit 5%-iger Natronlauge entfernt (gestrippt). Dabei löst sich die dünne Aluminiumschicht gleichzeitig mit auf. Die so gefertigte Leiterplatte wird gereinigt (Spülen mit Wasser) und getrocknet. Sie kann sofort mit Bauelementen belegt und mit Hilfe eines milden Flußmittels durch Aufschmelzen gelötet werden.

Beispiel 2

Auf die ganze Oberfläche einer strukturierten und mit Lötstopplack beschichteten Leiterplatte wird ein speziell präparierter Fotofestresist als temporäre Lackabdeckung (7) laminiert, der auf seiner Unterseite eine leitfähige Schicht (temporäre Leitschicht (6)) eines feinkörnigen Silberpulvers in Fotolack gebunden enthält. Diese so vorbereitete Oberfläche wird mittels UV-Licht durch eine Fotoschablone belichtet und in einem üblichen Entwickler (z. B. 1-%ige Sodalösung) entwickelt. Dabei lösen sich über den Pads (1), die mit Lotdepot (8) beschichtet werden sollen, die Resistschicht (7), der Fotolack und damit wird das Silberpulver abgeschwemmt. Danach wird in einem Zinn-Bleielektrolyten auf Fluoroboratbasis solange galvanisiert, bis die gewünschte Lotdepothöhe erreicht wird. In einem zweiten galvanischen Schritt kann noch eine lötvermittelnde Schutzschicht, z. B. Reinzinn abgeschieden werden.

Fotoresist und Fotolack werden mittels Lauge abgelöst (gestrippt), das Silberpulver abgeschwemmt. Diese Leiterplatte kann nach dem Spülen und Trocknen sofort in üblicher Weise mit Bauelementen bestückt werden. Durch die Verwendung des speziell präparierten Fotofestresistes wird der Verfahrensaufwand beträchtlich gesenkt.

Beispiel 3

Vorgehensweise wie in Beispiel 2, jedoch wird statt des speziell präparierten Fotofestresistes ein mit Metallpulver gefüllter Fotolack auf die Leiterplatte aufgegossen. Während des Trocknungsprozesses sinken die Metallteilchen im Lack, so daß eine leitfähige Schicht (temporäre Leitschicht (6)) zur elektrischen Kontaktierung der Pads (1) entsteht, die Oberfläche des gehärteten Lackes (temporäre Lackabdeckung (7)) jedoch nicht galvanisierfähig ist. Es wird in der beschriebenen Form belichtet, entwickelt und galvanisiert. Durch einen milden Fotolackstripper wird die Lackschicht und damit auch das Metallpulver entfernt, die Leiterplatte gereinigt und getrocknet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung fester, gut lötfähiger und planer Lotdepots (8) auf Leiterplatten mit voneinander getrennten freiliegenden metallischen Leiterzügen (3) und Metallflächen (1, 2), die ihrerseits auf einem isolierenden Träger (5) angeordnet sind und einen Oberflächenschutz (4) für die nicht zu behandelnden Metallflächen aufweisen, indem die Lotdepots (8) galvanisch mittels Strom abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) auf der gesamten Oberfläche einschließlich der freiliegenden Metallflächen eine zusätzliche leit­ fähige Schicht (6) aufgebracht wird,
• b) die zusätzliche leitfähige Schicht (6) mit einer strukturierbaren Abdeckung (7) versehen wird,
• c) die mit Lotdepots (8) zu versehenden Metallflächen (1) von der strukturierbaren Abdeckung (7) und der zusätzlichen leitfähigen Schicht (6) befreit werden, wobei die leitfähige Schicht so ent­ fernt wird, daß die Ränder der mit Lotdepots (8) zu versehenden Metallflächen (1) mit der leitfä­ higen Schicht (6) kontaktiert bleiben,
• d) in den bei Schritt c) gebildeten Kavitäten galvanotechnisch unter Verwendung der leitfähigen Schicht (6) ein oder mehrere Schichten aufzutragender galvanisch abscheidbarer Materialien ab­ geschieden werden und
• e) die strukturierbare Abdeckung (7) und die leitfähige Schicht (6) von der Leiterplatte entfernt werden, wobei die Lotdepots (8) auf den Metallflächen verbleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) und b) in einem ge­ meinsamen Schritt erfolgen, indem auf die gesamte Oberfläche ein Gemisch aus einem foto­ strukturierbaren Polymer und einem Leitmaterial aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die gesamte Oberfläche ein Schicht-Verbund aus leitfähigem Material (6) und einer strukturierbaren Abdeckung (7) aufge­ bracht wird, wobei die leitfähige Schicht (6) mit den metallischen Flächen kontaktiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als leitfähige Schicht (6) eine Me­ tallschicht, eine leitfähige Polymerschicht oder eine mit einem leitfähigen Material gefüllte Po­ lymerschicht verwendet wird.