-
Verfahren zur Herstellung gedruckter Jchaltllngen
-
mit hoher Dichte aufgelöster dönner Linien Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen mit hoher Dichte aufgelöster
feiner Linien und insbesondere ein Verfahren, bei dem die gedrllekten Schaltungen
auf einem polierten, entfernbaren Trer mit Hilfe eines nhotogranhischen Verfahrens
hoher Auflegung ausgebildet werden.
-
Gedruckte Schaltungen können auf keramischen, metallischen, Kunstharæ-
und sogar biegsamen Film-Trägerunterlagen angebracht werden und werden zur Verbindung
einzelner zchaltungJe]enente, wie z.B. Widerstände, Kondensatoren, spulen und
Halbleiter-Bauelemente einschließlich komplizierter integrierter chaltungen, verwendet.
Bin Leiterbahnbild in Form einer gedruckten Schaltung kann variieren von einem einfachen
Muster in radialer Richtung verlaufender Leiter zum Anschluß eines Chips einer integrierten
Schaltung an einem Leiterrahmen bis zu einem sehr komplexen, mehrschichtigen Leitermuster,
mit dem zahlreiche komplizierte Schaltungsbestandteile verbunden werden.
-
Es werden immer kompliziertere gedruckte Schaltungen mit größeren
Dichten gedruckter Leiterbahnen benötigt, um immer kompliziertere Schaltungsbestandteile
auf kleinerem Raum unterzubringen und um damit die Kosten zu verringern und die
Zuverlässigkeit zu erhöhen. Eine Linienauflösung von 1 Mikron oder weniger als einem
Mikron ist in integrierten Halbleiter-Schaltungen erreicht worden, doch beträgt
die beste derzeit betriebsmäßig erreichbare Auflösung in gedruckten Schaltungen
bei der Verbindung nichtmonolithischer Bauelemente 0,13 mm breite Linien auf 0,25
mm Mittelpunkten. Starke Unregelmäßigkeiten der Leiterbahnen haben Versuche scheitern
lassen, hohe Ausbeuten bei der Herstellung zu erzielen; es treten nämlich Kurzschlüsse,
Leitungsunterbrechungen und hohe Widerstände in engen Leiterbahnen
auf.
Diese Unregelmäßigkeiten ergeben sich aus verschiedenen Grunde, so der oberflchlichen
Rauhheit der Trägerfläche, der Diffusion und der Beugung des Lichts bei der Belichtung
durch die Maske und im Photolack und unregelmäßiger Entwicklung der Kantengebiete
im belichteten Photolack sowie ungleichem tzen der abgedeckten leitenden schichten,
Verschiedene Verfahren zur Ausbildung gedruckter Schaltungen auf nichtpermanenten
glatten Trägerflächen sind in den US-Patenten 2 692 190, 2 721 22, 2 724 674, 3
1q1 986 und 3 350 498 beschrieben worden. Jedoch können mit keinem dieser Verfahren
in wirtschaftlich durchfihrbarer Weise gedruckte Schaltungen mit hoher Auflösung
erzielt werden, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen
mit hoher Lichte aufgelöster pinner Linien wird eine Schicht eines lichtempfindlichen
Materials auf eine glatte Oberfläche einer Unterlage (Trger) aufgebracht, wahlweise
ein d'inner Film eines Schmiermittels auf die Oberseite des lichtempfindlichen Materials
aufgebracht, eine Maske aufgelegt, die das Leiterbahnbild auf der Oberfläche des
lichtempfindlichen Materials definiert, die Maske an die lichtempfindliche Oberflache
zur Herstellung eines innigen, fortlaufenden Kontakts angedrickt, das lichtempfindliche
Material belichtet und entwickelt, um die glatte Oberfläche in Gebieten, in denen
ein Leiterbahnbild ausgebildet werden soll, freizulegen, ein Leiterbahnbild auf
der glatten Oberfläche in diesen Gebieten ausgebildet, das gesamte verbleibende
lichtempfindliche Material von der glatten Oberfläche entfernt, eine Schicht eines
fließfähigen dielektrischen Polyamidimid-Materials auf die glatte Oberfläche und
das Leiterbahnbild aufgebracht und werden das Isoliermaterial und das Leiterbahnbild
von der glatten Oberfläche abgehoben.
-
Außerdem können zusätzliche Schichten eines Leiterbahnbildes vor
der Entfernung der gedruckten Schaltung aufgebracht werden.
-
Die gedruckte Schaltung kann als Schicht an einem Metall oder einem
anderen Trägermaterial mit Hilfe eines als Klebstoff wirkenden dielektrischen oder
isolierenden Materials angebracht werden. Zur Herstellung einer zusätzlichen gedruckten
Schaltungsschicht wird eine ein Leiterbahnbild bildende, aus nach oben
ragenden
Zwischenverbindungen bestehende Schaltungeschicht auf der vorhergehenden Schaltungsachicht
ausgebildet, ehe das Isoliermaterial in Schichtform eingesetzt wird. Die Oberseite
des I.solierr.laterials wird durch Schmirgeln oder in anderer Weise entfernt, um
eine glatte Oberfläche zu schaffen, die koplanar mit den pitzen der aufstehenden
Zwischenverbindungen ist. Das Verfahren zur Herstellung der ersten gedruckten Johaltungsachicht
kann dann wiederholt werden, um eine zweite gedruckte Schaltungsschicht auszubilden,
die an bestimmten zellen mit der darunter gelegenen, vorhergehenden Schaltungsachicht
durch angehobene, durch Galvanisieren erhaltene Zwischenverbindungen verbunden wird.
-
Völliges Verständnis der vorliegenden Brfindung ergibt sich aus der
folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigef!gten Zeichnungen.
-
Figuren 1 - 6 sind seitliche Querschnittsansichten einer erfindungsgemäß
hergestellten gedruckten Schaltung hoher Dichte und verdeutlichen die aufeinanderfolgenden
Verfahrensschritte bei der Herstellung der gedruckten Schaltung.
-
Figuren 7A und 7B sind schließlich seitliche '4uerschnittsansichten
und verdeutlichen andere Ausfährungsformen der erfindungsgemäß hergestellten gedruckten
Schaltung mit hoher Liniendichte.
-
Eine. gedruckte Schaltung mit einer hohen Dichte von gedruckten Leiter
bahnen in Form feiner Linien wird erfindungsgemäß auf einer polierten Trägerfläche
in einem additiven Verfahren mit Hilfe photolithographischer Techniken hergestellt.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist eine 0,001524 cm dicke, gleichförmige Schicht eines
trockenen Photolackfilms 10 oder eines anderen lichtempfindlichen Materials geeigneter
gleichförmiger Dicke auf die polierte Oberfläche 12 einer Unterlage oder eines Trägers
14 aufgebracht. Die Dicke des trockenen Photolacks ist nicht kritisch, doch sollte
der Film mindestens so dick wie die herzustellende gedruckte Leiterbahn sein; größere
Dicken führen zu einer Verringerung der erreichbaren Linienschärfe. Im vorliegenden
Beispiel wird eine Dicke von 0,001524 cm sowohl für den Photolack als auch für die
gedruckten Leiterbahnen verwendet.
-
Die Unterlage 14 ist wiederverwendbar und kann eine Platte aus uotrreie
stahl geeigneter Dicke (etwa 3 - 6 Nillimeter) sein, der eine sehr gut polierte
Oberfläche 12 aufweist. Eine dünne Schicht eines die Ablösung erleichternden Materials,
z.B. ein 0,00254 m dicker Nickel-Schnellüberzug wird auf die polierte Oberfläche
12 aufgebracht, ehe die Photolackschicht 10 auf gebracht wird. Das Mittel zur Erleichterung
der Ablösung ermöglicht es, die gedruckte Schaltung von der Unterlage 14 abzuheben,
nachdem die Herstellung der gedruckten Schaltung abgeschlos sen ist. Zusätzlich
können dianne Kupferschichten auf der Schicht zur Erleichterung der Ablösung abgeschieden
werden, ehe die Schicht 12 des Photolacks auf den Träger aufgebracht wird.
-
Eine sehr dünne Schicht 16 eines Schmiermittels, beispielsweise eines
Wachses, wird dann wahlweise auf die freiliegende Oberfläche des Photolacks aufgebracht,
Das Schmiermittel kann ein bblicherweise im Haushalt verwendetes S'prühwachs sein,
wie es z.B. unter dem Markenzeichen PLEDGE verkauft wird; das Wachs wird durch Aufsprilhen
eines dünnen Films auf die freiliegende Oberflache des Photolacks 10 aufgebracht
Die Oberfläche der Schicht des Photolacks ist etwas klebrig und die Schmiermittelschicht
16 ermöglicht die Feineinstellung der Maske 1E, während diese mit der geschmierten,
freiliegenden Oberfläche des Photolacks 10 in Kontakt ist. Eine Feineinstellung
der ersten Schicht ist häufig unnötig, und das Schmiermittel kann dann weggelassen
werden.
-
Nach dem Auflegen der Maske 18 auf die Oberfläche der Photolackschicht
10 wird ein Andrücken durchgeführt, um Gas oder Luftblasen zwischen der Maske 18
und der Schicht des Photolacks 10 herauszudrücken und um die Maske 18 in innige
Berührung mit der Oberfläche der lichtempfindlichen Widerstandsschicht zu bringen.
Dieses Andrücken kann durchgeführt werden, indem z.B.
-
Träger 14, die Photolackschicht 10 und die Maske 18 durch zwei fördernde
Andruckwalzen 20, 22 durchgeschickt werden.
-
Nach diesem Andrücken wird der lichtempfindliche Lack in der üblichen
Weise mit gebündeltem Licht belichtet und dann entwickelt, um Teile der Photolackschicht
10 aus den Gebieten zu entfernen, in denen Leiterbahnen ausgebildet werden sollen,
Da
die Marke ganz dicht an der Photolackschicht 10 anliegt und da durch das Andrücken
die @treuung des Lichts bei@@@bergang von der Maske 1@ in die Schicht 10 verringert
wird, ergibt die Belichtung ein Muster scharfer Linien mit sehr hoher Auflösung
im Photolack 10; nach der Entwicklung ergeben sich völlig geraklinige, vertikale
Wönde 26 an den Grenzen, sodaß Hohlräume entstehen, aus denen Abschnitte des lichtenpfindlichen
Lacks 10 entfernt wurden. Eine dünne Schicht 27 aus Gold oder Nickel wird galvanisch
in diesen Hohräumen abgeschieden, wodurch sich ein leitendes Schaltungsmuster als
Maske ergibt, die bein apäteren Abätzen des zur Ablösung aufgebrachten Materials
die Leiterbahnanordnung schützt. Ein leitendes Material 28, z.B. Kupfer, Gold oder
Nickel wird dann galvanisch auf die leitende, polierte Oberfläche 12 aufgebracht
(siehe Figur 2), um die von der Photomaske 1@ definierte Leiterverteilung zu hilden.
Durch dieses additive Terfahren sind die Kanten der Linien des Leitermusters geradlinig
und senkrecht, da sie in ihrer Form den Wänden des Photolacks an£enaBt sind. Ein
subtraktives Verfahren, in der: zunächst eine vollständiGe Kupferschicht abgeschieden
und dann selektiv weggeätzt wird, hat nicht diese hohe Auflösung ergeben, da eine
Unterhöhlung der Photolaekmaske auftritt und da die geätzten Wände nicht so glatt
und scharf sind, wie die im Photolack erzielbaren.
-
Eine bei einlagigen gedruckten Schaltungen nicht notwendige, bei
zweilagigen gedruckten Schaltungen jedoch erforderliche Maßnahme ist die Ausbildung
einer Verbindungsverteilung auf der ersten Schicht der gedruckten Schaltung 30 (siehe
Figur 3). Die Verbindungen können mit einem üblichen photolithographischen Verfahren
durch Galvanisieren und anschließendes photolithographisches Nutzen gemäß Figur
3 hergestellt werden; dabei wird zuerst das gewünschte Verbindungamuster durch eine
Maskenschicht aus Widerstandsmaterial 44 geschaffen, worauf galvanisch die Verbindungen
46 in den von der Abdeckschicht 44 geschaffenen Hohlräumen ausgebildet werden. Da
erste Abschnitte der ersten Schicht des Photolacks 10 noch entfernt werden müssen,
sind Unterlagen ausreichender Fläche fir d le die Zwischenverbindungen in der ersten
Schaltungsschicht 30 vorzusehen, sodaß sich die Zwischenverbindungen 46 nicht unter
die darunter gelegenen Abschnitte
des ersten gedruckten Schaltungsmusters
30 erstrecken müssen.
-
Bei der Ausbildung der Zwischenverbindungen 46 können die beiden Schichten
10 und 44 aus Photolack völlig von der teilweise hergestellten gedruckten Schaltung
abgestreift werden. Beim Fehlen der glatten, polierten Oberfläche 12 können keine
weiteren Schaltungsschichten mit der hohen Linienauflösung wie in der ersten Schaltungaschicht
erhalten werden. Die Zwischenverbindungen 46 sollen eine rilindestdicke von etwa
0,025 mm und vorzugsweise von 0,05 r- über die Dicke der Schicht 30 haben; die Zwischenverbindung-en
sollen eine Uindestgrö?e von etwa 0,05 mm in der Ebene einer zweiten Schicht 48
haben, in der sich die Zwischenverbindungen 46 und die zweite Photolackschicht 44
befindden, In Figur 4 sind die ernte un die zweite Photolackschicht völlig von der
teilwese hergestellten gedruckten Schaltung abgestreift und ein fließfähiges, etwas
plastisches Isoliermaterial 50 wird al. Schicht auf die verbleibende leitende erste
Schicht der gedruckten Schaltung 30 und die ?wischenverbindungen 46 aufgebracht.
Um hohe Gleichmäßigkeit zu erzielen, wird das Isoliermaterial 50 als dünner trockener
Film mit gleichförmiger Dicke aufgebracht. Die Dicke ist mindestens so groß wie
die Gesamtdicke des ersten Schaltungsinustere 30 und der Zwischenverbindungen 46.
Im vorliegenden Beispiel beträgt die Gesamtdicke 0,02 + 0,05 = 0,07 mm und eine
0,10 mm dicke Schicht eines Isoliermaterials 50 ergibt zufriedenstellende Resultate,
Das Isoliermaterial 50 wird in einer Beschichtungapresse mit den Pressenplatten
52, 54 ausgehärtet; eine Abdeckschicht 56 aus Silikon-Kautschuk ist zwischen das
Isoliermaterial 50 und die gegenüberliegende Pressenplatte 52 eingesetzt. Bei dem
Isoliermaterial 50 handelt es sich zweckmäßigerweise um einen Polyamidimid-Klebstoffilm,
der im Handel unter der Bezeichnung Kerimid 501 von der Firma Rhodia Inc., 600 Madison
Avenue, New York, New York 10022, V.St.A., vertrieben wird. Bei Verwendung dieses
Materials muß eine Härtung bei 190 °C zwei Stunden lang unter einem Druck von 6,8
Atmosphären durchgeführt werden, damit das Isoliermaterial 50 in die Hohlräume zwischen
den Leiterbahnen einfließt und sich eine feste Verbindung mit den Kupferleitern
ergibt. Anschließend wird überschüssiges Isoliermaterial 52 von
der
teilweise fertigen gedruckten chaltung entfernt, um eine flache Oberfläche 60 zu
erhalten, die koplanar mit den oberen Enden 58 der Zwiachenverbindungen 46 ist.
Das Material 50 kann mit einern geeigneten Verfahren, z.B. durch )chnirgeln, mit
einem sehr feinen Schmirgelpapier, entfernt werden. Die sich ergebende Struktur
ist in Figur 5 dargestellt.
-
Wie aus Figur 6 ersichtlich, kann dann eine zweite Schicht; einer
gedruckten Schaltung 62 auf den Oberflächen 58 und 60 mit einem geeigneten Verfahren
ausgebildet werden. Zum Beispiel kann eine vollständige Kupferschicht galvanisch
aufgebracht und dann selektiv abgeätzt werden, um das gewünschte leiterbild zu hinterlassen.
Auch ist es möglich, eine djnne Kupferschicht ohne Stromfluß auf den Oberflächen
58 und 60 abzuscheiden und sie dann galvanisch auf eine Dicke von etwa 0,003 mm
zu bringen.
-
Anschließend wird Photolack auf diese plattierte schicht aufgebracht
und die gewünschte Schaltungsverteilung als Hohlraume in der Photolackschicht ausgebildet.
Die dünne Schicht des plattierten Kupfers dient als Leiter für das Aufgalvanisieren
der gewünschten Schaltungsanordnung in den Vertiefungen im Photolack.
-
Eine dünne Nickelschicht 63 wird galvanisch als Maske auf dem leitenden
Schaltungsbild abgeschieden. Nach dem Abstreifen des Photolacks läßt sich die abgeschiedene
dzinne Kupferschicht rasch durch ;tzung aus den Gebieten entfernen, in denen kein
Schaltungsbild hergestellt werden soll. Die zweite Schaltungsschicht 62 hat vorzugsweise
eine Dicke von etwa 0,05 mm. Nach dem Abstreifen des Photolacks wird eine zweite
Schicht 70 des fließfähigen Isoliermaterials, z.B. von Kerimid-501, auf die zweite
Schicht der gedruckten Schaltung 62 aufgebracht; diese zweite Schicht bedeckt auch
die erste Schicht des Isoliermaterials 50. Die Anbringung der zweiten Schicht geschieht
in einer Beschichtungapresse, wie dies unter Bezugnahme auf Figur 4 beschrieben
wurde.
-
Eine dünne Nickelschicht kann rasch galvanisch auf der zweiten Schicht
der gedruckten Schaltung 62 abgeschieden werden, ehe die Schicht abgehoben wird;
dadurch ergibt sich eine stärkere Verbindung zwischen der zweiten Schicht der gedruckten
Schaltung 62 und der zweiten Schicht des Schichtmaterials 70. Durch Schmirgeln kann
anschließend die zweite Schicht des Isoliermaterials
70 geglättet
werden (siehe Figur 6).
-
Die gedruckten Schaltungen können dann in der in Figur 7A bzw. Figur
7B dargestellten Weise fertiggestellt werden. In Figur 7A wurde die gedruckte Schaltung
fertiggestellt durch chichtweise Anbringung einer oder megrerer zusätzlicher Lagen
der Kerimid-501-Isolationsmaterials auf der Oberseite der Struktur, sodaß eine flexible
gedruckte Schaltung aus mehreren Schichten mit hoher Leiterdichte entsteht. In der
in Figur 7B dargestellten Alternativausführung werden zusätzliche Schichten des
Kerizid-501-Isoliermaterials 72 dazu verwendet, einen metallischen Träger 74 mit
der Oberseite der zweiten Lage der gedruckten Schaltung 62 zu verbinden, während
Isoliermaterial 70 dazu dient, eine stabile Struktur der gedruckten Schaltung bei
guten Wärmeübertragungseigenschaften herzustellen. In beiden Fällen wird die gedruckte
Schaltungsstruktur von der polierten Oberfläche 12 des Trägers 14 abgenommen und
die dünnen Kupfer-und Nickel-Schichten (die zur Erleichterung der Abnahme dienen)
können aus den nicht benötigten Oberflächengebieten der ersten Lage der gedruckten
Schaltung 30 und des Isoliermaterials 50 durch Ätsen entfernt werden. Zusätzliche
gedruckte Schaltungs schichten können wahlweise auf dar zweiten gedruckten Schaltungsschicht
62 ausgebildet werden, wobei ähnlich vorgegangen wird, wie bei der Ausbildung der
zweiten Lage (gedruckte Schaltung 62) ind daran Verbindung mit der ersten Lage (gedruckte
Schaltung Vorzugsweise Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen mit hoher
Auflösung und hoher Liniendichte wurden beschrieben, sodaß der Durchschnittsfachmann
die Erfindung verwirklichen kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbei
spiele beschränkt und die von den Patentansprüchen erfaßten Abänderungen oder äquivalenten
Verfahrenaschritte fallen in den Rahmen der Erfindung.