DE4103834A1 - Verfahren zur herstellung von leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten durch Anbringen von Isolationskanälen in einer auf einem elektrisch isolierenden Substrat befindlichen Metall­ schicht unter Verwendung eines Laserstrahls.

Die Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen und insbesondere der Leiterplatten verlangt folgerichtig immer gerin­ gere Leiterbahnbreiten und Leiterbahnabstände. Um maximale Pac­ kungsdichten der Funktionselemente zu erreichen, werden höchste Ansprüche an die Strukturiergenauigkeit und Qualität der Isola­ tionskanäle und Leiterbahnen gestellt.

Ausgelöst wurde diese Miniaturisierung durch neue Schaltungstechnologien wie Multilayer-Platinen und SMD-Technik (SMD = Surface Mounted Devices), bei der die Funktionselemente keine in Löcher einzusteckende Anschlußdrähte mehr haben, sondern Kontaktflächen besitzen, die unmittelbar auf den Leiterbahnen be­ festigt und mit diesen verlötet oder verschweißt werden.

In der Serienfertigung von Leiterplatten wird die Strukturierung der gewünschten Isolationskanäle meist dadurch be­ wirkt, daß fotoempfindliche Schichten auf der in der Regel aus Kupfer bestehenden Kaschierung der Kunststoff-Trägerplatte ge­ zielt ausgehärtet werden, um nachfolgend an den nicht ausgehärte­ ten Stellen das Kupfer in seiner vollen Stärke durch Ätzen zu entfernen. Dafür wird eine entsprechende Maske zur Belichtung des entweder als positiv oder als negativ reagierenden fotoempfindli­ chen Lackes benötigt. Im Anschluß an das Ätzen folgt dann eine Reihe von weiteren Verfahrensschritten.

Bedingt durch die Ätztechnik sind hohe Leiterbahndich­ ten wegen der bekannten Probleme wie begrenztes Auflösungsvermö­ gen durch Lack- und Maskentechnik und Unterätzungen der Leiter­ bahnstruktur nicht möglich.

Je größer die Leiterbahndichte gemacht wird, umso mehr ist nämlich die Gefahr des Unterätzens zu beachten, d. h. der Ten­ denz, daß sich die Isolationskanäle wegen der Dauer des Ätzvor­ ganges bei der üblichen Dicke der Kupferschicht von etwa 35 µm von unten nach oben zu Lasten des benachbarten stehenbleibenden Kupfermaterials verbreitern und als Ätzresultat schräge Kupfer­ kanten entstehen, wodurch die Haftfläche des Kupfers auf dem Sub­ strat vermindert wird.

Leiterplatten werden aber häufig auch nur in kleinen Stückzahlen oder als Prototypen im Labor benötigt. In der Regel wird im Laborbereich neben dem Ätzverfahren zur Herstellung von Leiterplatten das mechanische Fräsen von Isolationskanälen ange­ wandt, wobei die Grenze der Frästechnik bei minimalen Kanalbrei­ ten von ca. 200 µm liegt.

Beide Verfahren haben ihre Daseinsberechtigung in ihrem jeweilig spezifischen Anwendungsgebiet, doch gerade im Bereich der Prototypfertigung von Leiterplatten im Laborbereich besteht eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit bei der Strukturierung von beispielsweise FR-4 Basismaterial (35 µm Kupferfolienstärke) im Hinblick auf die Realisierung von Isolationskanalbreiten unter 80 µm.

Zum einen bietet die konventionelle Subtraktivtechnik aus den oben genannten Gründen keine ausreichenden Lösungsansät­ ze, zum anderen läßt die mechanische Bearbeitungstechnik keine geringeren Fräsergeometrien zu. Somit scheiden diese Verfahren zur Fertigung von Isolationskanalbreiten unter 80 µm für den La­ borbereich aus.

In dem Aufsatz "Mikrostrukturierung mittels Lasertech­ nik" in der Zeitschrift "SMD-Magazin" 3/4-90 ist auf den Seiten 38 bis 40 ein Verfahren zur Herstellung der lsolationskanäle in Leiterplatten mittels Laserstrahl beschrieben, das insbesondere für kleine Stückzahlen geeignet ist und eine Isolationskanal­ breite und eine Leiterbahnbreite von weniger als 50 µm ermöglicht und damit eine hohe Leiterbahndichte bei größter Genauigkeit er­ laubt.

Praktische Versuche zur Realisierung des bekannten Ver­ fahrens haben jedoch große Probleme aufgezeigt, da es bisher nicht gelungen ist, ausreichend große Isolationswiderstände zwi­ schen den Leiterbahnen und damit die Funktionssicherheit der ge­ samten Schaltung zu gewährleisten. Der Grund dafür liegt darin, daß das unter der Kupferschicht befindliche Substrat, das in der Regel aus Epoxidharz besteht, durch die thermische Einwirkung der Laserstrahlung auf das Kupfer, die zum explosionsartigen Schmel­ zen und Verdampfen des Kupfers führt, so stark erhitzt wird, daß im Oberflächenbereich unter atmosphärischen Bedingungen eine Ver­ brennung des Harzes stattfindet, wobei ein haftfester, elektrisch leitfähiger Kohlenstoff entsteht, der den Isolationswiderstand herabsetzt. Ein weiterer Grund für Isolationsfehler besteht da­ rin, daß durch den im Plasma entstehenden hohen Druck feinste Kupferpartikel nach außen geschleudert werden und sich unkontrol­ liert absetzen. Alle Versuche einer Einführung der Laserstruktu­ rierung von Leiterplatten in die Praxis sind bislang gescheitert, weil es nicht gelungen ist, die Temperaturprobleme in den Griff zu bekommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren der Strukturierung von Leiterplatten so zu verbessern, daß trotz der mit der Lasertechnik verbundenen hohen Temperaturen hohe Isolationswiderstände zwischen den Leiterbahnen erzielt werden können.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf die Metallschicht eine für Infrarotstrahlung durchlässige, gegen Ätzmittel resistente Schicht aufgebracht wird, daß dann mittels des Laserstrahls in der Metallschicht die Struktur der Isolationskanäle unter Belassung einer Restmetall­ stärke hergestellt wird, daß anschließend die Restmetallstärke durch ein Ätzmittel und danach der noch verbliebene Teil der resistenten Schicht entfernt wird.

Durch die Erfindung ist es möglich, Fein- bzw. Feinst­ leiterstrukturen auf herkömmlichen Leiterplatten, beispielsweise unter Verwendung des oben erwähnten FR-4 Basismaterials im Labor­ bereich reproduzierbar mit Isolationskanalstrukturen von unter 80 µm herzustellen, wobei charakteristisch ein geringer zeitli­ cher Aufwand und apparativer Aufbau sowie ein hohes technologi­ sches Niveau im Labor ist.

Die Erfindung nutzt voll die Vorteile der Lasertechnik aus, beseitigt jedoch durch die geringe zunächst noch verbleiben­ de Restmetallstärke das Temperaturproblem. Die Restmetallstärke läßt sich dann rasch in einem Zeitraum von etwa 30 Sekunden durch das Ätzmittel entfernen, von dem nur geringe Mengen benö­ tigt werden, ohne daß eine Maske und Fototechnik erforderlich ist.

Durch die kleinen Abmessungen der Isolationskanäle geht während des Ätzschrittes nur wenig Kupfer in Lösung, was sich po­ sitiv auf eine lange Standzeit des Ätzmittels auswirkt und eine geringe Umweltbelastung bedeutet.

Von wesentlicher Bedeutung ist aber auch die resistente Schicht, die zwei Funktionen erfüllt, nämlich einmal die Abdeck­ funktion für den Ätzvorgang, und zum anderen nimmt ihre Oberflä­ che bei der Zerstörung des Kupfers durch den Laserstrahl heraus­ geschleuderte Kupferpartikel auf, die somit keine Möglichkeit ha­ ben, Isolationsfehler zu verursachen und eine haftfeste Verbin­ dung mit der noch bestehenden Kupferoberfläche einzugehen. Die sehr einfache Handhabung des kompletten Verfahrensablaufs sowie die wenigen und einfachen technologischen Schritte erlauben eine hohe Strukturiergeschwindigkeit und damit einen zeitlich kurzen Ablauf des Verfahrens.

In praktischer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Strukturierung der Isolationskanäle bis auf eine Restmetallstärke von etwa 5 ± 2 µm. Hierdurch wird der Ätzschritt zeitlich so kurz, daß scharfe Kanten erhalten bleiben und keine Unterätzungen auftreten.

Die resistente Schicht besteht vorzugsweise aus einer Polymerfolie, die auf die Kupferfolie auflaminiert wird. Sie kann jedoch auch in Form eines Polymerlackes aufgesprüht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht der Laser-Strukturiervorrichtung und

Fig. 2 die einzelnen Schritte des Herstellungsverfah­ rens für eine Leiterplatte.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gerät ist auf einer stationären Unterlage 1 ein Tisch 2 in Richtung der Pfeile X und Y verfahrbar gelagert. Auf dem Tisch 2 befindet sich die zu strukturierende Leiterplatte 3, über der eine Fokussieroptik 4 mit integrierten Absaugkanälen angeordnet ist. Die Fokussieroptik 4 gehört zu einem Laserkopf 5, der an einem Portalaufbau 6 befestigt ist, der seinerseits mit der Unterlage 1 verbunden ist. Zur Strukturierung wird ein Laserstrahl entlang der optischen Achse 7 auf die Leiterplatte gerichtet.

Die technologischen Verfahrensschritte zeigt Fig. 2. Auf das Ausgangsmaterial gemäß Fig. 2a, das aus einem Substrat 8, z. B. aus einem Hartglaslaminat und einer aufkaschierten Kupferfo­ lie 9 mit einer Dicke von 35 µm besteht, wird gemäß Fig. 2b eine infrarotdurchlässige Folie 10 aufgesprüht oder als Festresist auflaminiert. Dann erfolgt gemäß Fig. 1c die Strukturierung mit­ tels des Laserstrahls durch Verfahren des Tisches 2, wobei die Laserenergie und die Vorschubgeschwindigkeit über einen Rechner so gesteuert wird, daß die Kupferschicht bis auf eine Restme­ tallstärke von 5 ± 2 µm entfernt wird. Anschließend wird gemäß Fig. 1d die Restmetallstärke durch ein Ätzmittel beseitigt (Sprühätzung).

Nunmehr kann gemäß Fig. 1e der auf den Leiterbahnen noch verbliebene Schutzlack 10 entfernt werden, z. B. mittels Ultraschallbad oder dergl. Es verbleiben nunmehr Isolationskanäle mit einer Breite von 30 µm, wobei die Breite der zwischen zwei Isolationskanälen stehenbleibenden Leiterbahn 40 µm und weniger betragen kann. Anschließend können dann gemäß Fig. 1f noch weite­ re spezifische Bearbeitungsschritte erfolgen, z. B. Abspülen, Trocknen, Bohren und evtl. Aufbringen eines Lötlackes 11.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten durch An­ bringen von Isolationskanälen in einer auf einem elektrisch iso­ lierenden Substrat befindlichen Metallschicht unter Verwendung eines Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Metall­ schicht eine für Infrarotstrahlung durchlässige, gegen Ätzmittel resistente Schicht aufgebracht wird, daß dann mittels des Laser­ strahls in der Metallschicht die Struktur der Isolationskanäle unter Belassung einer Restmetallstärke hergestellt wird, daß an­ schließend die Restmetallstärke durch ein Ätzmittel und danach der noch verbliebene Teil der resistenten Schicht entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der Isolationskanäle bis auf eine Restmetall­ stärke von etwa 5 ± 2 µm erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die resistente Schicht durch Auflaminieren einer Folie aus einem Polymer oder durch Aufsprühen eines Polymerlackes er­ folgt.