DE3822766A1 - Verfahren zur herstellung von leiterplatten, vorrichtung zur herstellung von leiterplatten sowie leiterplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten oder dergleichen nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Zur Halterung und elektrischen Verbindung kleiner elektronischer Bauelemente, wie Widerstände, Konden­ satoren, Induktivitäten, Transistoren, Dioden und integrierte Schaltungen dienen Leiterplatten, die im Gehäuse des betreffenden elektronischen Gerätes untergebracht sind.

Die Leiterplatten bestehen gewöhnlich aus einem nichtleitenden Trägermaterial, wie Hartpapier, Kunststoff oder faserverstärkter Kunststoff, wel­ ches mit einer leitfähigen Schicht, zumeist einer Kupfer- oder Silberverbindung überzogen ist. Zur Herstellung des gewünschten Verlaufs der Leiterbah­ nen, welche einerseits als Lötstützpunkte der Lei­ terplatte die Bauelemente mechanisch halten und gleichzeitig die elektrischen Anschlüsse herstel­ len und andererseits als Verbindungslinien zwischen den Lötstützpunkten die elektrische Verbindung der Bauelemente untereinander bewirken, gibt es unter­ schiedliche Möglichkeiten.

Bei einem der ältesten Verfahren wird die leitende Kupferschicht mit einem photochemisch empfindlichen Material beschichtet, auf welche ein Film, auf dem der gewünschte Leiterbahnenverlauf als Negativ ab­ gebildet ist, ausbelichtet wird. Nachdem die Leiter­ platte einem phototechnischen Entwicklungsprozeß unterzogen wurde, ist der gesamte Leiterbahnenver­ lauf auf der Leiterplatte abgebildet. Anschließend wird die Leiterplattenoberfläche in einem Ätzbad, z.B. Eisendreichlorid FeCl₃ behandelt, wobei die unbelichteten Flächen solange weggeätzt werden, bis dort die Kupferschicht verschwunden ist. Danach ist nur noch im Bereich der Leiterbahnen eine elek­ trische Leitfähigkeit vorhanden.

Ein weiteres Verfahren, das bei der Produktion großer Stückzahlen angewendet wird, verwendet den Siebdruck, um den gewünschten Leiterbahnenverlauf direkt auf dem Leiterplattenrohling aufzudrucken. Der anschließend vorgenommene Ätzvorgang entspricht dem beim erstge­ nannten Verfahren erwähnten.

Bei einem neueren Verfahren, das für kleinere Stück­ zahlen angewandt wird, kommt man ohne zeit- und kostenaufwendige Erstellung eines Zwischenfilmes aus. Stattdessen wird hier das photochemische Mate­ rial auf der Kupferschicht einem Direktbelichtungs­ verfahren ausgesetzt. Dabei werden die mit einem Rechner erstellten Leiterbahnenverläufe über ein Steuerprogramm zur Ansteuerung eines Plotters ver­ wendet, welcher z.B. mit einem Laser bestückt ist. Der Plotter hat lediglich die Aufgabe der genauen Positionierung des Lasers, bzw. den Laserstrahl den gewünschten Leiterbahnenverlauf auf der zuvor mit der photochemischen Schicht versehenen Leiterplatte zeichnen zu lassen. Nach einem Entwicklungsprozeß läßt sich, wie im Zusammenhang mit dem erstgenannten Verfahren beschrieben, die Kupferschicht außerhalb des Bereichs der Leiterbahnen wegätzen.

Hinweise auf ein derartiges Herstellungsverfahren für Leiterbahnen finden sich z.B. in "EOCOM Electro­ nics Systems, CA, USA Circuit World, Vol. 11, Nr. 2, Winter 85, S. 7-11". Hier wird mit dem Direktbe­ lichtungsverfahren eine verzerrungsfreie Abbildung garantiert.

Ferner ist die Direktbelichtung eines Films bekannt aus "European Printed Circuit Convention, Brighton, June 86". Die erforderlichen Vorrichtungen für Laser­ plotter und deren Handhabung ist auch ausführlich ge­ schildert worden von Klimsch & Co., Frankfurt am Main, "Leiterplatten 9/86, S. 25".

Die erwähnten Herstellungsverfahren leiden alle unter dem Nachteil, daß nach dem photochemischen Belichtungs­ prozeß und gegebenenfalls Entwicklungsprozeß ein um­ weltbelastender Ätzvorgang erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art dahingehend zu ver­ bessern, daß durch Einsparung von Verfahrensschrit­ ten die Herstellung einfacher, schneller, präziser und umweltschonender ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Da das Beschichtungsmaterial selbst Eigenschaften besitzt, die durch physikalische oder chemische Einwirkung von einem ursprünglich nichtleitenden Zustand in einen leitenden Zustand überführbar sind, kann der umweltbelastende Ätzvorgang eingespart wer­ den. Dieser war bisher auch häufige Ursache für un­ saubere Ränder der Leiterbahnen, da der Verbrauchs­ grad des Mittels, die Temperatur sowie die Zeitdauer die Intensität der Unterätzung der die Leiterbahnen vorgebenden Deckschicht beeinflussen.

Durch die direkte physikalische oder chemische Ein­ wirkung läßt sich auch die Präzision der Konturen erhöhen, da Zwischenschritte, durch die eine Leiter­ bahnenabbildung von einem auf ein anderes Material projiziert wird, konsequent vermieden werden. Durch die Einsparung von Verfahrensschritten und die di­ rekte Einwirkung auf physikalische oder chemische Art wird außerdem auch der Entstehungsprozeß dis­ kreter Leiterbahnen erheblich beschleunigt.

Unter den physikalischen oder chemischen Einwir­ kungen spielen besonders die physikalischen Ein­ wirkungen in Form einer Bestrahlung eine große Rolle. Hervorzuheben sind dabei Laserstrahlen, da sich diese auf einen sehr begrenzten Bereich fo­ kussieren lassen und die Herstellung von Leiterbah­ nen mit sehr hoher Auflösung ermöglichen.

So besteht ein bevorzugtes Verfahren darin, als Be­ schichtungsmaterial Kupfertetraminsulfat, vorzugs­ weise in einer Schichtdicke von 25 µm aufzutragen. Dieses Beschichtungsmaterial wird durch Einwirkung eines Laserstrahls, vorzugsweise eines Excimerlasers mit Argon-Fluor-Füllung in Leiterbahnen mit leitender Kupferschicht umgewandelt.

Das Ausgangsmaterial bietet den Vorteil, daß durch die Umwandlung des Beschichtungsmaterials in metal­ lisch reines Kupfer die gleiche Leitfähigkeit er­ reicht werden kann, wie sie bei den bisher bekannten Herstellungsverfahren erreichbar ist. Im ursprüng­ lichen Zustand bestehen außerordentlich gute Nicht­ leitereigenschaften. Der verwendete Laser ist be­ sonders gut geeignet, die für die Umwandlung des Beschichtungsmaterials in metallisches Kupfer er­ forderliche Anregungsenergie zu liefern und genau auf die Bereiche zu konzentrieren, die umgewandelt werden sollen.

Ein weiteres mögliches Beschichtungsmaterial ist durch ein Diamantfilm gegeben, der durch Einwirkung eines CO₂ Laserstrahls in Leiterbahnen mit leitender Graphitschicht umgewandelt wird.

Bei diesem Verfahren ist aus dem nichtleitenden Zu­ stand eine Leitfähigkeit des Graphits von 2,5 bis 5×10h^-2 Ohm/cm erzielbar.

Eine weitere Alternative für das Beschichtungsmaterial besteht in der Verwendung eines Halogenids. Dies ist eine chemische Verbindung eines Metalls der ersten Nebengruppe mit einem Halogen der siebten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (Ionenverbindung).

Bei den Elementen der ersten Nebengruppe kann es sich um Kupfer, Silber oder Gold und bei denen der siebten Hauptgruppe um Brom, Fluor, Chlor oder Jod handeln. Die Einwirkung auf diese Schicht erfolgt dergestalt, daß die Ionenbindung zerstört wird und daß elektrisch leitfähiges Metall zurückbleibt.

Als Metall läßt sich auch Palladium verwenden, das als Halogenid Palladiumchlorid durch Einwirkung eines Inertgasionenstrahls (Argon, Krypton, Xenon) hoher Konzentration in Palladium von hoher elektrischer Leitfähigkeit umgewandelt wird.

Schließlich kann als Beschichtungsmaterial auch eine organische Metallverbindung aufgetragen werden und durch Einwirkung eines Laserstrahls, beispielsweise durch Oxidation der Kohlenstoffatome zu CO₂ in Lei­ terbahnen mit leitender Metallschicht umgewandelt werden.

Vorzugsweise wird das Beschichtungsmaterial durch Vakuumbeschichtung oder ein ähnliches Verfahren auf­ getragen.

Durch dieses Verfahren ist gewährleistet, daß eine sehr gleichmäßige Oberflächendicke bei äußerst ge­ ringer Oberflächenrauhigkeit entsteht. Die geringe Oberflächenrauhigkeit ist deshalb anzustreben, da­ mit bei der Eindringtiefe z.B. des Laserstrahls ge­ währleistet ist, daß das Beschichtungsmaterial bis zum Grund umgewandelt wird. Andernfalls könnte beim Waschen der Leiterplatte, durch die nicht umgewan­ deltes Beschichtungsmaterial entfernt werden soll, auch Material an der Übergangsstelle zwischen den Leiterbahnen und dem Trägermaterial herausgewaschen werden und so die innige Verbindung schwächen.

Ferner bewirkt eine homogene Ausgestaltung der Ober­ fläche und Dicke des Beschichtungsmaterials auch eine gleichmäßige elektrische Leitfähigkeit.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß vor dem Auftragen des Beschichtungsmaterials das Trägermaterial mit einer wärmebeständigen Zwischenbeschichtung (Slip­ coat), vorzugsweise einem Keramiksubstrat versehen wird.

Durch die wärmebeständige Zwischenbeschichtung wird das Trägermaterial, das vorzugsweise aus nicht wärme­ beständigem Kunststoff besteht, vor schädigenden Ein­ flüssen des Laserstrahls geschützt. Dieser kann also ohne Rücksicht auf eine sonst mögliche Verbrennung oder chemische Umwandlung des Trägermaterials auf die Intensität eingestellt werden, die zur vollständigen Umwandlung des Beschichtungsmaterials in leitfähiges Material erforderlich ist.

Vorzugsweise wird ein Excimerlaser mit Argon-Fluor- Füllung verwendet, dessen Strahlung bei einer Wellen­ länge von 193 nm liegt und einen instabilen Resonator besitzt. Die Laserbestrahlung erfolgt vorzugsweise mit einer Energie von 20 bis 60 mJ, bezogen auf eine Fläche von 10×30 mm. In weiterer Ausgestaltung wird die Laserbestrahlung mit 6 Schuß bei einer Pulslänge von 12 ns vorgenommen.

Diese Eigenschaften des verwendeten Lasers haben sich bei dem bevorzugten Beschichtungsmaterial Kupfertetra­ minsulfat als besonders geeignet erwiesen, die Umwand­ lung in metallisches Kupfer sehr präzise, schnell und in der erforderlichen Schichttiefe durchzuführen.

Zur Erzeugung der Leiterbahnen wird der Laserstrahl abgelenkt, wobei Steuerbefehle zur Laserpositionie­ rung und -führung von Datenträgern abgerufen werden.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß nach Einlegen eines Leiterplattenrohlings die gewünschten Leiter­ bahnen mit sehr hoher Wiederkehrgenauigkeit herge­ stellt werden. Dabei läßt sich dieselbe Vorrichtung einfach durch Austausch der Datenträger ohne sonsti­ ge Umrüstarbeiten für verschiedene Leiterplatten Ausgestaltungen (Lay-Outs) verwenden.

Eine Weiterführung des Verfahrens sieht vor, daß zur Erzeugung breiterer Leiterbahnen, als dem Fokusdurch­ messer des Laserstrahls entspricht, dieser gewobbelt wird.

Der Laserstrahl kann so in seiner vorausberechneten Intensität sowie seinem Durchmesser beibehalten wer­ den und es lassen sich Leiterbahnen beliebiger Breite ausgehend von einer Breite, die dem Fokusdurchmesser des Laserstrahls entspricht, herstellen.

Bei einer praktischen Ausgestaltung wird das Beschich­ tungsmaterial nach der Umwandlung in den leitenden Zu­ stand thermisch nachbehandelt.

Durch diese Maßnahme wird eine innige Verbindung zwischen dem umgewandelten Beschichtungsmaterial und dem Trägermaterial bzw. bei Verwendung einer Zwischenschicht zwischen dem umgewandelten Beschich­ tungsmaterial und der Zwischenschicht hergestellt. In diesem Zusammenhang wird eine substrat- oder be­ schichtungstechnisch bedingte Schuppung der Wirk­ stoffsubstanzschicht des Beschichtungsmaterials nach der chemischen Umwandlung homogenisiert. Dies wird durch ein kurzes Verschmelzen der metallischen Ablagerungen, also der Leiterbahnen erreicht. Gleich­ zeitig geht damit auch eine bessere Anhaftung der Leiterbahnen an dem Trägermaterial einher.

In Weiterbildung der Erfindung werden die Leiterplat­ ten nach der physikalischen oder chemischen Einwir­ kung und gegebenenfalls der thermischen Nachbehand­ lung gewaschen und das nicht umgewandelte Beschich­ tungsmaterial entfernt.

Hierdurch wird verhindert, daß das nicht umgewandel­ te Beschichtungsmaterial im Laufe der Zeit durch Wärmeeinwirkung doch langsam verändert wird, so daß seine Leitfähigkeit zunimmt und sich leitfähige Brücken zwischen den eigentlichen Leiterbahnen bil­ den. Außerdem dient diese Maßnahme der Gewichtsein­ sparung der fertigen Leiterplatten, der besseren Ver­ wertung der Rohstoffe, da diese recycled werden kön­ nen und durch Vermeidung von Abfällen auch der Scho­ nung der Umwelt und der Kosteneinsparung.

Es ist zusätzlich möglich, die Leiterbahnen nach der Umwandlung des Beschichtungsmaterials elektrochemisch nachzubehandeln, z.B. galvanisch Querschnitte zu ver­ größern, leitfähiger zu machen oder Oberflächen zu ver­ edeln.

Diese Maßnahmen können bei besonders hoher Beanspru­ chung der Leiterplatte zweckmäßig sein, so daß die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der auf der Leiter­ platte aufgebrachten Schaltung verbessert werden kann.

Neben der Verwendung von Kunststoff als Trägermate­ rial eignet sich auch ein hochtemperaturfester ke­ ramischer Werkstoff z.B. ein Magnesium- oder ein Aluminiumsilikat oder ein Spinell. Bei Verwendung dieser Werkstoffe könnte eventuell eine Zwischen­ schicht entfallen, da die wärmeunempfindlichen Ei­ genschaften dann bereits durch das Trägermaterial selbst geboten werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung von aus einem Trägermaterial und einem Beschichtungsmaterial bestehenden Leiterplatten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 20.

Diesbezüglich liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß eine ein­ fachere, schnellere, präzisere und umweltschonendere Herstellung der Leiterplatten möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 20 durch die im kennzeich­ nenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dieser Bestrahlungsvorrichtung besitzt der Ex­ cimerlaser mit Argon-Fluor-Füllung und der angege­ benen Wellenlänge besonders günstige Eigenschaften der Einwirkung auf Beschichtungsmaterial. Diese Eigenschaften liegen darin, daß einmal eine sehr hohe Auflösung möglich ist, so daß sich auch sehr schmale, dicht beieinanderliegende Leiterbahnen her­ stellen lassen. Weitere Eigenschaften sind die hohe Energiedichte und die damit verbundene schnelle Um­ wandlung des Beschichtungsmaterials sowie die Ein­ dringtiefe, die sicherstellt, daß das Beschichtungs­ material im Bereich der Leiterbahnen vollständig um­ gewandelt wird.

Weitere Merkmale des bevorzugten Lasers liegen in ei­ ner Laserausgangsenergie von 20 bis 60 mJ, bezogen auf eine Fläche von 10×30 mm, einer Pulslänge des Lasers von 12 ns und einer Schußanzahl von 6 Pulsen, einem oder mehreren Umlenkspiegeln, die unter 45° als HR-ArF ausgebildet sind, einer Zylinderlinse der Brennweite f=38 mm und einer Ausmaskierung des Pulsers auf 10×20 mm.

Auch diese Merkmale bilden eine weitere Optimierung der genannten Eigenschaften des Laserstrahls bei der Umwandlung des Beschichtungsmaterials.

Zur Führung und Positionierung des Laserstrahls ist dieser mit einer Strahlablenkungsvorrichtung verse­ hen, die von einem Rechner anhand von auf Datenträ­ gern gespeicherten Steuerprogrammen steuerbar ist.

Damit läßt sich der Laser praktisch trägheitslos führen und positionieren, wodurch eine hohe Arbeits­ geschwindigkeit erreicht werden kann. Dieselbe Vor­ richtung läßt sich durch einfachen Austausch der Da­ tenträger für beliebige Lay-Outs von Leiterplatten verwenden. Mit der Strahlablenkvorrichtung ist auch ein Wobbeln des Laserstrahls möglich, so daß ange­ fangen von Leiterbahnen der Breite des Fokusdurch­ messers bis zu breiten Flächen herstellbar sind, die sich praktisch über die gesamte Leiterplatte erstrecken.

Bei einer anderen Alternative ist der Tisch der Bestrahlungsvorrichtung als in X- und Y-Richtung verfahrbarer Plotter ausgebildet, der aber ebenfalls von einem Rechner anhand von auf Datenträgern gespei­ cherten Steuerprogramm steuerbar ist.

Da hierbei der Leiterplattenrohling im Maßstab 1:1 verfahren wird, lassen sich sehr hohe Anforderungen an die Wiederkehrgenauigkeit des Leiterbahn-Lay-Outs erzielen. Allerdings ist diese Maßnahme durch die großen Verfahrbewegungen zeitaufwendiger als eine Steuerung des Laserstrahls mittels Strahlablenkvor­ richtung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, daß der zweiten Station eine dritte Station nachgeschaltet ist, die einen Tisch und einen Ofen zur thermischen Nachbehandlung umfaßt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, daß der zweiten Station eine dritte Station nach­ geschaltet ist, die einen Tisch und einen Ofen zur thermischen Nachbehandlung umfaßt. Der Ofen kann mit einer Infrarot-Gigawellen- oder Mikrowellenquelle ver­ sehen sein.

Bei dieser Art der Strahlenquelle erfolgt die Wärme­ absorption vorzugsweise im metallischen Material, während keramische und Kunststoffmaterialien weni­ ger oder gar nicht erwärmt werden. Die erfindungs­ gemäße Ausgestaltung des Ofens zur thermischen Nach­ behandlung ermöglicht so eine sehr begrenzte Ver­ schmelzung der metallischen Ablagerungen und Leiter­ bahnen. Auch das Anhaften der Leiterbahnen am Trä­ germaterial durch Aufschmelzen der Grenzfläche geht sehr schonend vor sich, ohne daß weiter von den Lei­ terbahnen entfernt liegende Bereiche angeschmolzen oder gar zerstört werden können.

Schließlich ist in an sich bekannter Weise eine vierte Station vorhanden, die eine Galvanisiervor­ richtung umfaßt.

Hiermit lassen sich nachträglich größere Leiter­ bahnquerschnitte erzeugen oder aber oberflächen­ veredelnde Maßnahmen bei den Leiterbahnen zum Zwecke einer Leitfähigkeitsverbesserung oder ei­ nes Schutzes gegen Korrosion vornehmen. Bei der Galvanisierung kann z.B. eine Oberflächenbeschich­ tung der Leiterbahnen mit einer Silber- oder Gold­ auflage durchgeführt werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Leiterplatte, bestehend aus einem Trägermaterial und einem da­ rauf aufgebrachten Beschichtungsmaterial nach dem Oberbegriff des Anspruchs 30.

Hier liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte dahingehend zu verbessern, daß bei gleichen elek­ trischen Eigenschaften die Herstellung einfacher, schneller, präziser und umweltschonender möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Leiterplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 30 durch die im kennzeich­ nenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Als Beschichtungsmaterial wird eine Substanz ver­ wendet, die durch physikalische oder chemische Einwirkung von einem ursprünglich nichtleitenden in einen leitenden Zustand umwandelbar ist.

Hierdurch läßt sich eine wesentlich präzisere Aus­ bildung der Leiterbahnen durchführen, da eine di­ rekte physikalische oder chemische Einwirkung mög­ lich ist und die Schaffung der Leiterbahnen nicht durch mehrmaliges Übertragen eines Leiterbahnen­ bildes auf eine andere Substanz zu erfolgen braucht.

Durch die Einsparung von Verfahrensschritten wird zudem die Leiterplatte billiger und schneller her­ stellbar. Ein umweltschonender Aspekt besteht darin, daß das nicht umgewandelte Beschichtungsmaterial ausgewaschen werden kann und ohne chemische Zwischen­ umwandlung, die wiederum nicht verwertbare Abfall­ produkte schaffen würde, wiederverwendbar ist.

Zweckmäßig besteht das Beschichtungsmaterial aus Kupfertetraminsulfat, welches durch Laserbestrah­ lung in metallisches Kupfer übergeht. Bei diesem Material ist gewährleistet, daß die gleiche Leit­ fähigkeit der Leiterbahnen erzielt wird, wie sie von anderen Leiterplatten mit einer durchgehenden Kupferschicht als Ausgangsmaterial bekannt ist.

Das Beschichtungsmaterial bietet weiterhin die Gewähr, daß es sich bei einer auch für hohe Strombelastungen ausreichenden Schichtdicke vollständig bis zum Grund umwandeln läßt. Darüberhinaus besteht eine gute An­ haftung der Leiterbahnen an dem Trägermaterial, so daß auch die mechanische Stabilität mit der von Lei­ terplatten konventioneller Fertigungsverfahren ver­ gleichbar ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Leiterplatte nach der Erfindung sind die Zwischenräume zwischen den Leiterbahnen, in denen nicht umgewandeltes Kupfertetraminsulfat vorhanden ist, freigewaschen. Durch diese Ausgestaltung wird auch eine sehr hohe Isolation zwischen benachbarten Leiterbahnen er­ reicht, da eine elektrische Brückenbildung durch langsame Umwandlungen des Kupfertetraminsulfats vermieden werden. Außerdem wird auch eine Gewichts­ einsparung erzielt.

Eine praktische Ausgestaltung sieht vor, daß zwischen dem Trägermaterial und dem Beschichtungsmaterial eine Zwischenschicht, vorzugsweise aus Keramik, angeordnet ist.

Diese Zwischenschicht verhindert bei der Herstellung der Leiterplatte eine Beschädigung des Trägermaterials, das in der Regel aus Kunststoff besteht. Darüberhinaus werden auch Vorteile bei der Bestückung der Leiter­ platten erzielt, indem die von dem Lötbad erzeugte Wärme gegen das Trägermaterial abgeschirmt wird. Schließlich sind auch besonders gute Isolationsei­ genschaften erzielbar, wodurch sich sehr geringe Ab­ stände zwischen den Leiterbahnen bei gegebenen Po­ tentialdifferenzen realisieren lassen.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, die ein Ausfüh­ rungsbeispiel eines Teils der Vorrichtung sowie der Leiterplatte darstellt.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Leiterplatte, und

Fig. 2 als Prinzipdarstellung mehrere Stationen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Leiter­ platte, die aus einem Trägermaterial 10, einer Zwischenschicht 16 und einem Beschichtungsmaterial 12 besteht. Als Trägermaterial eignet sich z.B. Polyester, das gegebenenfalls mit Glasfasern zur Verbesserung der Biege- und Bruchfestigkeit ver­ stärkt sein kann. Die Zwischenschicht 16 besteht aus Keramik mit sehr wärmebeständigen Eigenschaften. Das Beschichtungsmaterial 12 umfaßt Kupfertetramin­ sulfat.

Es handelt sich hierbei um eine Substanz, die durch physikalische Einwirkung, insbesondere durch Laser­ bestrahlung von einem ursprünglich nichtleitenden in einen leitenden Zustand umwandelbar ist. Dabei wird das Kupfertetraminsulfat in metallisches Kupfer umgewandelt.

Das Beschichtungsmaterial 12 besitzt eine Schicht­ dicke von etwa 25 µm, wobei jedoch die nach der Um­ wandlung entstehenden Leiterbahnen 13 eine geringere Schichtdicke besitzen.

Da die Zwischenschicht 16 eine definierte Oberfläche mit vorgegebener Rauhigkeit besitzt, lassen sich auch die Eigenschaften des Beschichtungsmaterials 12, also die Eindringtiefe für den Laserstrahl sowie die nach der Umwandlung vorhandene Leitfähigkeit gezielt vorhersagen bzw. einstellen. Bei der Be­ strahlung mit dem Laserstrahl kann die Intensität so gewählt werden, daß eine zuverlässige Umwandlung des Beschichtungsmaterials stattfindet, ohne daß das Trägermaterial 10 beschädigt wird. Gleichzeitig verhält sich die Zwischenschicht 16 chemisch neutral, so daß eine Verunreinigung oder Alterung der erzeug­ ten Leiterbahnen nicht zu befürchten ist.

In Fig. 1 ist ferner die Einwirkung eines gestrichelt dargestellten Laserstrahls 11 veranschaulicht. In seinem Auftreffbereich findet eine Umwandlung des Beschichtungsmaterials 12, nämlich des Kupfertetra­ minsulfats in metallisches Kupfer statt. Dieses Kupfer bildet Leiterbahnen 13. Die nach der Herstellung der Leiterbahnen 13 verbleibenden Zwischenräume 15, die noch aus nicht umgewandeltem Kupfertetraminsulfat bestehen, werden freigewaschen, so daß als Endprodukt schließlich Leiterplatten aus dem Trägermaterial 10, der Zwischenschicht 16 und den Leiterbahnen 13 übrig bleiben.

Fig. 2 zeigt als Prinzipdarstellung einen Teil einer Vorrichtung zur Herstellung von Leiterplatten. Da­ bei beschränkt sich die Darstellung auf eine Station mit einer Bestrahlungsvorrichtung 18 sowie einer wei­ teren Station zur thermischen Nachbehandlung.

Bei 36 ist ein Leiterplatten-Lay-Out, also die Füh­ rung der Leiterbahnen dargestellt. Diese Ausgestal­ tung der Leiterbahnen wird in digital codierter Form auf einem Datenträger 30 gespeichert. Der Datenträger 30 steuert mittels eines Rechners 28 einen in X- und Y-Richtung verfahrbaren Plotter 20 der Bestrahlungs­ vorrichtung 18.

Auf diesen Plotter 20 befindet sich die in einer nicht dargestellten ersten Station mit einem Beschich­ tungsmaterial versehene Leiterplatte 14.

Die rohe Leiterplatte 14 wird den Einwirkungen der Laserstrahlen eines Excimerlasers 22 ausgesetzt und durch den Plotter 20 derart verfahren, daß die Ein­ wirkung der Laserstrahlen in dem Beschichtungsmate­ rial nur an den Stellen stattfindet, die später Lei­ terbahnen bilden sollen. Die Steuerung des Excimer­ lasers 22 wird in gleicher Weise wie die des Plotters 20 durch den Rechner 28 vorgenommen.

Der Excimerlaser 22 arbeitet mit Argon-Fluor-Füllung mit einem instabilen Resonator der Wellenlänge 193 nm. Die Laserausgangsenergie liegt zwischen 20 bis 60 mJ, bezogen auf eine Fläche von 10×30 mm. Die Pulslänge des Lasers 22 ist auf 12 ns bemessen und der Laser 22 umfaßt einen Taktgeber, mittels dem 6 Pulse pro Sekun­ de erzeugbar sind.

Ferner besitzt der Laser 22 einen Umlenkspiegel 24, der unter 45° als HR-ArF ausgebildet ist. Der Laser 22 umfaßt ferner eine Zylinderlinse 26 mit einer Brennweite von f=38 mm. Schließlich ist der Pulser des Lasers 22 mit einer Ausmaskierung von 10×20 mm versehen.

Die beschriebenen Eigenschaften führen dazu, daß eine sehr präzise Bestrahlung des Beschichtungsmaterials der auf den Plotter 20 gelegten Leiterplatten 12 möglich ist und das Beschichtungsmaterial durchgehend in leitfähiges Material umwandelbar ist.

Nach der Bestrahlung gelangen die Leiterplatten 14 zu einer dritten Station, die einen Tisch 32 und ei­ nen Ofen 34 umfaßt. Dabei ist der Ofen 34 als Infrarot-, Gigawellen- oder Mikrowellenquelle ausgebildet. Durch die thermische Nachbehandlung wird eine Beschichtungs­ technisch bedingte Schuppung nach der chemischen Um­ wandlung homogenisiert, indem ein kurzes Verschmelzen der metallischen Ablagerungen bzw. Leiterbahnen er­ reicht wird. Außerdem haften die Leiterbahnen dann besser an dem Trägermaterial.

In weiteren, nicht dargestellten Stationen kann ein Waschen der Leiterplatten durchgeführt werden, damit nicht umgewandeltes Beschichtungsmaterial entfernt werden kann und somit eine allmähliche Abnahme der elektrischen Isolation zwischen den Leiterbahnen durch Umwandlung des verbleibenden Beschichtungsmaterials verhindert werden kann.

Schließlich kann noch in einer weiteren Station eine Oberflächenbeschichtung der Leiterbahnen durch Gal­ vanisieren erzeugt werden und damit eine Querschnitts­ vergrößerung, Leitfähigkeitsverbesserung oder eine Oberflächenveredelung zum Zwecke eines Oberflächen­ schutzes herbeigeführt werden.

An Stelle der Leiterplatten kann auch ein Substrat verwendet werden, das zur Herstellung von Mikrochips geeignet ist. Der beschriebene Excimerlaser 22 ist dabei in der Lage, auch dicht beieinanderliegende Leiterbahnen sehr präzise zu erstellen.

Claims (33)

1. Verfahren zur Herstellung von Leiter­ platten oder dergleichen, welche aus einem Träger­ material und einem Beschichtungsmaterial bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtungsmate­ rial eine Substanz aufgetragen wird, die durch phy­ sikalische oder chemische Einwirkung von einem ur­ sprünglich nicht leitenden Zustand in einen leiten­ den Zustand überführbar ist und daß das Beschich­ tungsmaterial im Bereich von zu erzeugenden Leiter­ bahnen der physikalischen oder chemischen Einwirkung ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die physikalische Einwirkung ei­ ne Bestrahlung, z.B. mit Laserstrahler, Elektronen­ strahlen, Ionenstrahlen oder Röntgenstrahlen und die chemische Einwirkung eine chemische Reaktion durch Kontakt mit einer anderen Substanz ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß als Beschichtungsmate­ rial Kupfertetraaminsulfat (CU (NH₃) SO₄), vorzugs­ weise in einer Schichtdicke von 25 µm, aufgetra­ gen wird und durch Einwirkung eines Laserstrahles, vorzugsweise eines Excimerlasers mit Argon-Fluor- Füllung (ArF) in Leiterbahnen mit leitender Kupfer­ schicht umgewandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß als Beschichtungsmate­ rial ein Diamantfilm aufgetragen wird und durch Einwirkung eines CO₂-Laserstrahles in Leiterbah­ nen mit leitender Graphitschicht umgewandelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß als Beschichtungsmate­ rial ein Halogenid aufgetragen wird, also eine che­ mische Verbindung eines Metalles der ersten Neben­ gruppe mit einem Halogen der siebenten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente (Ionenverbindung).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Halogenid Palladiumchlorid (PdCl₂) ist und durch Einwirkung eines Inertgas- Ionenstrahles (Argon, Krypton, Xenon) in hoher Konzentration in Leiterbahnen mit leitender Palla­ diumschicht umgewandelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß als Beschichtungsmate­ rial eine organische Metallverbindung aufgetragen wird und durch Einwirkung eines Laserstrahles, bei­ spielsweise durch Oxidation der Kohlenstoffatome zu CO₂, in Leiterbahnen mit leitender Metallschicht umgewandelt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial durch Vakuumbeschichtung aufgetragen wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß vor Auftragen des Beschichtungsmaterials das Träger­ material mit einer wärmebeständigen Zwischenbe­ schichtung (Slipcoat), vorzugsweise einem Keramik­ substrat versehen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strahlung des Excimerlasers mit Argon-Fluor-Füllung bei einer Wellenlänge von 193 nm liegt und einen instabilen Resonator besitzt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laserbestrahlung mit einer Energie von 20 bis 60 mJ, bezogen auf eine Fläche von 10×30 mm erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laserbestrahlung mit 6 Schuß bei einer Pulslänge von 12 ns vorgenommen wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-4, 7 oder 10-12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserstrahl zur Erzeugung der gewünschten Leiterbahnen abgelenkt wird, wobei Steuerbefehle zur Laserpositionierung und -führung von Datenträgern abgerufen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erzeugung breiterer Leiter­ bahnen als dem Fokusdurchmesser des Laserstrahles entspricht, dieser gewobbelt wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial nach der Umwandlung in den leitenden Zustand thermisch nachbehandelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die thermische Nachbehandlung durch Infrarot-Bestrahlung, Gigawellen- oder Mikro­ wellen-Bestrahlung erfolgt.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatten nach der physikalischen oder chemischen Einwirkung und gegebenenfalls der thermischen Nach­ behandlung gewaschen werden und daß das nicht umge­ wandelte Beschichtungsmaterial entfernt und gege­ benenfalls recycled wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen nach der Umwandlung des Beschichtungs­ materials elektrochemisch nachbehandelt, z.B. galvanisch querschnittvergrößert, leitfähiger ge­ macht oder oberflächenveredelt werden.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial ein hochtemperaturfester keramischer Werkstoff, z.B. ein Magnesium oder Aluminiumsilikat oder ein Spinell verwendet wird.

20. Vorrichtung zur Herstellung von aus ei­ nem Trägermaterial (10) und einem Beschichtungs­ material (12) bestehenden Leiterplatten (14) oder dergleichen, wobei in einer ersten Station eine Beschichtungsvorrichtung und in einer zweiten Station eine Bestrahlungsvorrichtung (18) mit ei­ nem Tisch (20) und einer Strahlenquelle (22) ange­ ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strah­ lenquelle einen Excimerlaser (22) mit Argon-Fluor- Füllung (ArF) mit instabilem Resonator der Wellen­ länge 193 nm umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Excimerlaser (22) auf eine Laserausgangsenergie von 20 bis 60 mJ, bezogen auf eine Fläche von 10×30 mm, ausgelegt ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulslänge des Lasers (22) auf 12 ns bemessen ist und daß ein Taktgeber vorgesehen ist, mittels dem 6 Pulse (Schuß) pro Sekunde erzeugbar sind.

23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20-22, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (22) Umlenkspiegel (24) umfaßt, die unter 45° als HR-ArF ausgebildet sind.

24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20-23, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (22) eine Zylinderlinse (26) der Brennweite f=38 mm umfaßt.

25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20-23, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulser des Lasers (22) mit einer Ausmaskierung von 10×20 mm versehen ist.

26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20-25, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (22) mit einer Strahlablenkvorrichtung ver­ sehen ist, die von einem Rechner (28) anhand von auf Datenträgern (30) gespeicherten Steuerprogrammen steuerbar ist.

27. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20-25, dadurch gekennzeichnet, daß der Tisch der Bestrahlungsvorrichtung (18) als in X- und Y-Richtung verfahrbarer Plotter (20) ausgebil­ det ist, der von einem Rechner (28) anhand von auf Datenträgern (30) gespeicherten Steuerprogrammen steuerbar ist.

28. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20-27, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Station eine dritte Station nachgeordnet ist, die einen Tisch (32) und einen Ofen (34) zur ther­ mischen Nachbehandlung umfaßt, wobei der Ofen (34) mit einer Infrarot-Gigawellen- oder Mikrowellenquelle versehen ist.

29. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 20-28, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten bzw. dritten Station eine weitere (vierte) Station nachgeordnet ist, die eine Galvanisierungs­ vorrichtung umfaßt.

30. Leiterplatte, bestehend aus einem Träger­ material (10) und einem darauf aufgebrachten Be­ schichtungsmaterial (12), dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial (12) eine Substanz ist, die durch physikalische oder chemische Ein­ wirkung von einem ursprünglich nichtleitenden in einen leitenden Zustand umwandelbar ist.

31. Leiterplatte nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial (12) Kupfertetraminsulfat (CU (NH₃) SO₄) ist, welches durch Laserbestrahlung in metallisches Kupfer übergeht.

32. Leiterplatte nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (13) aus in metallisches Kupfer umgewandeltem Kupfer­ tetraminsulfat bestehen und daß die Zwischenräume (15) zwischen den Leiterbahnen (13) von nicht be­ strahltem Kupfertetraminsulfat freigewaschen sind.

33. Leiterplatten nach einem oder mehreren der Ansprüche 30-32, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Trägermaterial (10) und dem Beschich­ tungsmaterial (12) eine Zwischenschicht (16) (Slip­ coat) vorzugsweise aus Keramik angeordnet ist.