DE19820345C2 - Verfahren zum selektiven galvanischen Aufbringen von Lotdepots auf Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven galvanischen Aufbringen von Lotdepots auf Leiterplatten nach DE 197 16 044 C2 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. Die Menge des Lotes muß sehr hoch sein, damit der Bauelementeanschluß gut umhüllt wird.

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.

Der Auftrag der notwendigen Materialmenge des Lotes kann bekannterweise durch galvano­ technische Verfahren erfolgen. Dazu muß jedoch die Oberfläche der Leiterplatte mit einer leitfä­ higen Schicht, die wiederum strukturiert durch ein Dielektrikum abgedeckt werden muß, über­ zogen werden.

Bei dem aus der EP 0 726 689 A2 bekannten Verfahren wird zur Herstellung von Lotbeschich­ tungen auf Pads von Mikroleiterplatten die gesamte Leiterplatte mit einer leitfähigen Metall­ schicht überzogen. Diese Metallschicht kann durch chemisch/galvanische Abscheidung von Me­ tallen, wie Kupfer Gold u. a. oder durch Vakuumbedampfung (u. a. mit Aluminium) hergestellt werden. Nach einer Abdeckung mit einem Dielektrikum und dessen Strukturierung, gegebenen­ falls der strukturierten Entfernung der Leitschicht wird galvanisch Zinn-Blei oder ein anderes Lot so abgeschieden, daß die Menge nach dem Aufschmelzen den Raum zwischen der Lötabdeckung um das Pad ausfüllt und der Meniskus über das Niveau der Lötabdeckung ragt.

Durch das notwendige Aufschmelzen entsteht keine plane, sondern eine kugelige Oberfläche des Lotdepots. Die leitfähige Metallschicht verbleibt bzw. löst sich im Lot auf und kann dabei die Lötergebnisse beeinträchtigende Metallegierungen ergeben oder sie muß durch einen zusätzli­ chen Ätzschritt entfernt werden. Die Entfernung der erforderlichen Leit- und Strukturierungs- Hilfsschichten muß mehrstufig erfolgen. Das Aufbringen der Leitschicht mittels galvanotechni­ scher oder vakuumtechnischer Verfahren ist sehr arbeitsaufwendig. Weiterhin muß die Leit­ schicht entweder sehr gut lötfähig sein oder leicht entfernt werden können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein weiteres Verfahren zur galvanischen Herstel­ lung von Lotdepots mittels elektrischer Kontaktierung vereinzelter Pads auf Leiterplatten zur nachfolgenden strukturierten galvanischen Behandlung anzugeben, wobei die elektrische Kon­ taktierung, die Strukturierung und die Entfernung der Hilfsschichten in wenigen Arbeitsschritten durchgeführt werden sollen und das mit handelsüblichen Materialien den Aufbau einer struktu­ rierbaren Leit- und dielektrischen Verbundschicht ermöglicht, die gleichzeitig genügend Höhe zur Herstellung hoher Lotdepots hat und die Nachteile der Bereitstellung teurer Spezialresiste vermeidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 ge­ nannten Merkmalen dadurch gelöst, daß

• - die leitfähige Schicht aus einer Paste aus einem mit leitfähigen Partikeln gemischtem Foto­ lack besteht,
• - die strukturierbare Abdeckung als Fotofestresist ausgebildet ist und
• - beide Schichten gemeinsam fotolithografisch strukturiert werden.

Auf die gesamte Oberfläche der strukturierten und mit Lötstopplack abgedeckten Leiterplatte wird eine fotostrukturierbare Leitschicht als Paste aufgebracht. Damit werden die Pads auf der Leiterplatte elektrisch kurzgeschlossen. Diese Paste besteht aus in einer Fotopolymermatrix gelagerten elektrisch gut leitfähigen Feststoffpartikeln (z. B. Pulver aus Metallen, wie Silber, Kupfer, Nickel o. ä., Kohlenstoff oder sonstigen leitfähigen Materialien). Sie kann durch Mischung von Feststoffpulver und flüssigem Fotolack unmittelbar vor Anwendung selbst mit geringem Aufwand vorbereitet werden. Der Fotolack muß die gleichen Fotoeigenschaften, wie der nachfolgende Festresist haben (z. B. negativ arbeitend, wäßrig-alkalische Basis). Der Auftrag dieser Paste kann durch übliche Schichttechnologien, wie Gießen, Spritzen, Rakeln oder ganzflächiges Siebdrucken erfolgen. Diese Schicht wird zum Verdunsten des Lösungsmittels in geeigneter Form getrocknet oder vorgehärtet. Auf diese Schicht wird danach in einem zweiten Arbeitsschritt ein handelsüblicher Fotofestresist der notwendigen Dicke in üblicher Weise auflaminiert. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, daß durch die in pastöser Form aufgebrachte Leitschicht bereits die typischen Unebenheiten der Leiterplattenoberfläche weitgehend ausgeglichen werden können, so daß Fotofestresist sich gut anpassen kann. Hohlräume zwischen Leiterplatte und Schichtaufbau können dann nicht auftreten.

Beide Schichten werden dann, wie in DE 197 16 044.1 C2 beschrieben, durch den bekannten fotolithografischen Prozeß in einem Arbeitsschritt strukturiert. Dabei wird durch Belichtung mit UV-Licht sowohl der Fotofestresist, als auch das Matrixpolymer der Leitschicht so verändert, daß durch ein geeignetes Lösemittel an den vorgesehenen Stellen beide Teile der Schicht entfernt und die Leitpartikel abgeschwemmt werden. In die entstandenen Kavitäten werden dann nach den in DE 197 16 044 C2 beschriebenen Verfahren galvanotechnisch eine oder mehrere Schichten der aufzutragenden Materialien abgeschieden. Damit entsteht das feste Lotdepot, das entsprechend der vorgegebenen Dicke des Fotofestresistes einen hohen Aufbau mit geraden Flanken hat.

Leit- und Deckschicht können danach ebenfalls wie nach DE 197 16 044 C2 in einem Arbeitsgang durch milde Löseverfahren (Strippverfahren) wieder entfernt werden. Die so behandelte Leiterplatte enthält auf den Pads freistehende Lotdepots mit planer Oberfläche aus den galvanisch abgeschiedenen Materialien und wird dann direkt ihrer Bestimmung (Bestückung, Löten) zugeführt.

Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem geringen Arbeitsaufwand und handelsüblichen Fotoresistmaterialien feste Lotdepots mit hohen Abmessungen hergestellt werden. Eine Abhängigkeit von zu entwickelnden Spezialresisten entfällt. Selbst das notwendige Mischen des Materials der Leitschicht kann vom Anwender selbst durchgeführt werden. Das Verfahren zeichnet sich damit im Gegensatz zu den bekannten Lösungen durch wenige Arbeitsschritte (Auftrag der Leitschicht, Lamination des Festresistes, fotolithografische Strukturierung, Galvanisierung, Strippen des Gesamtaufbaues) bei gleichzeitige guter Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien aus. Das Verfahren ist ebenfalls geeignet, andere galvanisch herstellbare Materialaufbauten auf vereinzelt liegenden Metallflächen zu realisieren.

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 im Querschnitt, auf der die zu galvanisierenden Metallflächen (Pads 1) für die Aufnahme der Lotdepots 11 und nicht zu galvanisierende Metallflächen 2 bzw. durch Lötstopplack 4 abgedeckte Leiterzüge 3 auf dem Träger 5 dargestellt sind.

Fig. 2 stellt die Ablagerung der strukturierbaren Leitschicht 6 in Form einer Paste dar. Diese Paste besteht aus einer Matrix aus Fotopolymer, in die leitfähige Partikel so eingebettet sind, daß durch die Berührungsstellen eine Stromleitung erfolgen kann. Die leitfähigen Partikel können aus Metallpartikeln, wie z. B. Silber, Kupfer, Nickel, oder aus sonstigen leitfähigen Partikeln, wie Ruß, Graphit bestehen, wie sie in üblichen Leitlacken, Dickschichtpasten o. ä. verwendet werden. Der Auftrag der Schicht erfolgt durch Gießen, Rakeln, Spritzen oder Siebdruck.

In Fig. 3 wird zusätzlich der Fotofestresist 7, mit einer vor der Entwicklung abziehbaren Schutzfolie 8 dargestellt. Dieser Fotofestresist 7 wird in Pfeilrichtung auf die mit der Leitschicht 6 präparierte Leiterplatte auflaminiert.

In Fig. 4 wurden die Leitschicht 6 und der Fotofestresist 7 in einem fotolithografischen Prozeß (Belichten Entwickeln) so strukturiert, daß über den zu galvanisierenden Pads 1 beide Schichten entfernt wurden. Die beiden fotosensitive Schichten 6, 7 werden so mit UV-Licht durch eine Fotovorlage belichtet, daß durch nachfolgende Entwicklung die zu galvanisierenden Flächen freigelegt werden. Dabei löst sich die dielektrische Schicht und auch die Polymermatrix der Leitschicht 6 an diesen Stellen. Die Leitschichtpartikel werden durch den Entwickler weggespült. Es entstehen Kavitäten 9, 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. Die Fotovorlage muß so gestaltet sein, daß ein schmaler Randbereich des Pads mit Leitschicht bedeckt bleibt 10. Damit ist gewährleistet, daß eine Stromleitung während des Galvanisierens möglich ist.

Fig. 5 stellt die galvanische Abscheidung der Zinn-Blei-Legierung bzw. des Lotdepots 11 in die Kavitäten 9 dar. Die mögliche Höhe der Beschichtung richtet sich nach der Dicke des Festresistes. 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 Reste der Leitschicht und des Fotofestresistes wurden durch einen Löseprozeß (Strippen) rückstandslos entfernt (gelöst, chemisch zerstört bzw. abgeschwemmt). Die damit freistehenden Lotdepots haben eine ausreichende Höhe, um die problemlose Kontaktierung der Bauelemente 12 zu ermöglichen. Überhänge, die dann entstehen, wenn die Resistschichtdicke nicht ausreicht, um genügend hohe Lotdepots zu erzeugen, existieren nicht. Diese Lotdepots eignen sich besonders gut zum optimalen Aufsetzen vielpoliger Finepitch-SMD-Bauelemente, die dann durch Reflow-Löten kontaktiert werden sollen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert.

Auf die Leiterplatte wird ein mit 80% Metallpulver gefüllter wäßrig-alkalisch entwickelbarer Negativ-Fotolack, wie er üblicherweise z. B. zur Strukturierung von Innenlagen in der Multilayertechnik verwendet wird, mit einem Rakel aufgetragen. Diese Schicht wird 30 min an der Luft getrocknet. Danach wird bei einer Temperatur von 110°C ein handelsüblicher Fotofestresist 7 der Dicke 40 bis 50 µm laminiert. Beide Schichten 6, 7 werden gleichzeitig mit UV-Licht durch eine Fotoschablone belichtet. Durch Entwicklung mittels alkalisch-wäßrigen Entwickler (1%ige Sodalösung) werden Kavitäten 9 über den Pads 1 so freigelegt, daß an ihrer Basis die Kupferoberfläche des Pads 1 frei liegt. In diese Kavitäten 9 kann dann durch Anlegen eines elektrischen Stromes an den Außenkanten der Leiterplatte, in der in DE 197 16 044.1 A1 beschriebenen Art, eine Zinn-Blei-Legierung abgeschieden werden. Durch einen milden Fotolackstripper (3-5% KOH, Triäthanolamin o. ä.) werden die Fotoresiste (die Negativ- Fotolackmatrix und der Fotofestresist) gleichzeitig entfernt und damit auch das Metallpulver abgeschwemmt, die Leiterplatte durch Spülen mit Wasser gereinigt und getrocknet. Diese Leiterplatte kann dann direkt mit SMD-Bauelementen im Reflow-Verfahren bestückt werden.

Bezugszeichenliste

1

Pad

2

Metallfläche

3

Leiterzug

4

Lötstopplack

5

Träger

6

Leitschicht

7

Fotofestresist

8

Schutzfolie

9

Kavität

10

Padrand

11

Lotdepot

12

Bauelement

Claims (1)

1. Verfahren zum selektiven galvanischen Aufbringen von Lotdepots (11) auf mit Lötstopplack versehenen Leiterplatten, wobei

• a) auf die Oberfläche einschließlich der freiliegenden Metallflächen eine zusätzliche leitfähige Schicht (6) aufgebracht wird,
• b) die zusätzliche leitfähige Schicht (6) mit einer strukturierbaren Abdeckung (7) versehen wird,
• c) die mit Lotdepots (11) zu versehenden Metallflächen (1) von der strukturierbaren Abdec­ kung (7) und der zusätzlichen leitfähigen Schicht (6) befreit werden, wobei die leitfähige Schicht so entfernt wird, daß die Ränder der mit Lotdepots (11) zu versehenden Metallflä­ chen (1) mit der leitfähigen Schicht (6) kontaktiert bleiben,
• d) in den bei Schritt c) gebildeten Kavitäten (9) galvanotechnisch unter Verwendung der leitfä­ higen Schicht (6) ein oder mehrere Schichten aufzutragender galvanisch abscheidbarer Mate­ rialien abgeschieden werden und
• e) die strukturierbare Abdeckung (7) und leitfähige Schicht (6) von der Leiterplatte entfernt werden, wobei die Lotdepots (11) auf den Metallflächen verbleiben,

nach DE 197 16 044 C2, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die leitfähige Schicht (6) aus einer Paste aus einem mit leitfähigen Partikeln gemischtem Fo­ tolack besteht,
• 2. die strukturierbare Abdeckung (7) als Fotofestresist ausgebildet ist und
• 3. beide Schichten gemeinsam fotolithografisch strukturiert werden.