DE4417550C1 - Verfahren zum elektrolytischen Behandeln von Feinleiterplatten und Feinleiterfolien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrolytischen Metallisieren und Entmetallisieren von mit Bohrungen versehenen Leiterplatten und Leiterfolien in Feinleitertechnik. Anwendung findet es in Anlagen mit horizontalem Durchlauf des Behandlungsgutes unter Verwendung von unlöslichen Elektroden.

Die Feinleitertechnik zeichnet sich durch besonders schmale Leiterzüge und durch geringe Abstände der Leiter voneinander aus. Strukturen bis herab zu nominal 0,05 mm werden gefordert. Entsprechend präzise muß die elek­ trolytische Behandlung sein. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß schmale Leiterzüge im Vergleich zu immer vorkommenden benachbarten breiten Leiterzügen wesentlich intensiver bearbeitet werden. Schichtdickenunterschiede von mehr als 1 : 3 sind die Folge, insbesondere dann, wenn mit wirtschaftlich akzeptabler Stromdichte gearbeitet wird. Beim Ätzen kommen des weiteren partielle Flankenangriffe und Unterätzungen vor. Ursache hierfür sind die örtlich unterschiedlichen Feldstärken. Ein schmaler Leiterzug wirkt als Spitze und konzentriert die elektrischen Feldlinien stärker auf sich. Neben der Reduzierung der Stromdichte bewirkt eine Vergrößerung des Anoden-Kathodenabstandes eine Verringerung der Schichtdickenunterschiede zwischen schmalen und breiten Leiterzügen. Beides wirkt sich ungünstig auf die Produktionskosten aus. Die Reduzierung der Stromdichte erfordert eine längere Behandlungszeit. Größere Anodenabstände haben größere Badspannungen mit entsprechend höheren Energiekosten zur Folge, und es muß eine Vergrößerung der Anlage mit größerem Elektrolytvolumen in Kauf genommen werden.

Zum Ätzen von Leiterplatten sind chemische Ätzverfahren bekannt. Sie haben nachteiligerweise einen permanenten Verbrauch von Stoffen, die entsorgt werden müssen. Auch die Rückgewinnung des geätzten Metalles ist verfahrenstechnisch aufwendig und mit entsprechend hohen Kosten verbunden. Diese Nachteile entfallen weitgehend bei elektrolytischen Ätzverfahren.

Aus der Offenlegungsschrift DE 43 24 330 ist ein Verfahren zum Metallisieren bzw. Entmetallisieren von plattenförmigen Gegenständen wie Leiterplatten bekannt. Bei diesem Verfahren werden Elektroden mit einer flüssigkeitsdurchlässigen isolierenden Schicht überzogen, die dazu dient über das Behandlungsgut kontinuierlich zu wischen und damit die Diffusionsschicht zu stören. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß an die Schicht auf den Elektroden wegen des Wischens neben der Flüssigkeitsdurchlässigkeit besonders hohe Anforderungen bezüglich Abriebfestigkeit gestellt sind. Dies bedingt eine fasrige, gewebeartige Schicht mit einer Mindestdicke von mehreren Millimetern, was in etwa dem Abstand der Elektroden vom Behandlungsgut entspricht. Leiterbahnen mit einer Breite von z. B. 0,1 mm wirken damit für die elektrischen Feldlinien als Spitzen. Sie werden intensiver bearbeitet als die übrigen breiteren Bahnen, was bei der angestrebten hohen Stromdichte zu örtlichen Schichtdickenunterschieden bis hin zu Verbrennungen führen kann.

Aus der Offenlegungsschrift DE 41 30 121 A1 ist ein Verfahren bekannt bei dem die durchmetallisierte Leiterplatte mit einer Schicht 4 überzogen wird. Diese Schicht bildet das fertige Leiterbild nach, ausgenommen die Stellen auf die der Ätzresist 6 (Zinn oder Zinn/Blei) aufgetragen werden soll. Die Schicht 4 dient dem Zweck die Ränder der Kupfer/Leiterbahnen zu schützen und somit ein Unterätzen zu verhindern. Zum Galvanisieren selbst wird die Galvanoresistschicht 5 aufgetragen. Beide Schichten dienen nicht als Distanz- oder Isoliermittel gegenüber den für die Galvanisierung oder elektrolytische Ätzung notwendigen Gegenelektroden. Es sind auch keine walzenförmigen Elektroden zum Auftragen des Leiterbildes bzw. Abtragen der nicht benötigten Kupferschicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, in horizontalen Durchlaufanlagen für Leiterplatten und Leiterfolien in Feinleitertechnik die Leiterzüge elektrolytisch so zu behandeln, daß unter wirtschaftlichen Produktionsbedingungen und unabhängig von der Struktur des Leiterbildes gleiche Schichtdicken auf dem Behandlungsgut erzielt werden.

Gelöst wird die Aufgabe mit walzenförmigen rotierenden Elektroden, die mit ihren Mantellinien so extrem nahe an die Oberfläche des Behandlungsgutes herangebracht werden, daß auch die schmalen Leiterzüge nicht als Spitze, sondern als Fläche wirken. Dies hat zur Folge, daß alle Leiterzüge mit nahezu gleicher Stromdichte elektrolytisch bearbeitet werden und die gleiche Schicht­ stärke erhalten. Als isolierender Abstandshalter zwischen der Leiterplatte und der rotierenden Walze dient der elektrisch nichtleitende Resist auf der Oberfläche der Leiterplatte, der das Leiterbild negativ oder positiv darstellt. Auf diesem Resist rollen die elektrisch nicht isolierten Walzen unmittelbar ab. Sie erreichen damit den geringstmöglichen Abstand zum Behandlungsgut.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Galvani­ sieren.

Fig. 2 zeigt den Einsatz beim elektrolytischen Ätzen.

In der Praxis sind die Durchmesser der Walzen im Vergleich zu den Schicht­ dicken wesentlich größer als in den Figuren aus zeichnerischen Gründen dargestellt. Die berührende Mantellinie stellt praktisch eine Fläche dar.

In Fig. 1 ist das Substrat 1 mit Beschichtungen ausschnittsweise und im Querschnitt dargestellt. Auf dem Substrat 1 befindet sich eine erste Kupfer­ schicht 2. Sie bedeckt die Leiterplatte vollkommen, und sie kontaktiert auch mit geringerer Schichtstärke vorhandene Löcher durch. Auf diese Basisleiterplatte wird das Leiterbild in Form eines Isolierstoffes 3 als Galvanisiermaske negativ aufgebracht. Dies geschieht durch bekanntes Bedrucken oder durch Photover­ fahren. Insbesondere bei der Feinleitertechnik sind Photoresiste üblich. Die Schichthöhe des Isolierstoffes 3 ist mit 4 bezeichnet. Die so nach dem Stand der Technik vorbereitete Leiterplatte wird in die horizontale Durchlaufanlage gebracht, und sie durchfährt diese in Pfeilrichtung 5. Die Leiterplatten sind von nicht dargestellten Klammern, die sie seitlich greifen, elektrisch kontaktiert, und zwar hier beim Galvanisieren mit dem Minuspol einer Badstromquelle. Die Klammern und/oder die walzenförmigen Elektroden können gleichzeitig die Leiterplatte führen und durch die Anlage transportieren. Unterstützt wird dies durch die Rotation der unlöslichen Elektrode 6, die aus einem walzenförmigen Körper 7 besteht, der sich quer zur Transportrichtung des Behandlungsgutes 8 erstreckt. Der Körper 7 ist zumindest an seiner Oberfläche elektrisch leitfähig. Er wird über einen Schleifring 9 und über den Schleifkontakt 10 mit dem Pluspol der Badstromquelle verbunden. Die Elektrode 6 rollt auf dem Isolierstoff 3 ab.

Der sich erfindungsgemäß ergebende Anoden-Kathodenabstand zu Beginn des Galvanisierens ist die Schichthöhe 4 des aufgebrachten Isolierstoffes 3. Beim Galvanisieren wächst die metallische Schicht 11 zwischen den isolierenden Strukturen des Leiterbildes auf, die vom Isolierstoff 3 gebildet werden. Sie erreicht die gezeichnete Schichtstärke. Entsprechend verringert sich der Anoden- Kathodenabstand auf das Maß 12. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren muß die metallische Schicht 11 immer dünner sein als die Schichthöhe 4 des Isolier­ stoffes 3. Dies stellt gegenüber den bekannten Galvanisierverfahren mit großen Anoden-Kathodenabständen keinen Nachteil dar. Auch bei diesen Verfahren muß aus Gründen der Konturenschärfe der Leiterzüge diese Bedingung eingehalten werden.

Die Badstromquelle ist stromgeregelt. Dies stellt sicher, daß auch in einem fehlerhaften Kurzschlußfalle keine unzulässig hohen Ströme auftreten können. Die Lagerung der Achse 13 erfolgt so, daß sie die Anpassung der Höhenlage der Elektrode 6 an die Dicke der Leiterplatte selbsttätig ermöglicht. An der Unterseite des Behandlungsgutes 8 befinden sich ebenfalls rotierende Elek­ troden. Sie sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Der Körper 7 der Walze kann als Rohr ausgeführt sein. In der Wandung können sich Löcher befinden, durch die sich im Kreislauf geführter Elektrolyt unter Druck aus dem Inneren der Walze heraus zum Behandlungsgut fördern läßt.

Desgleichen kann durch Saugen Elektrolyt aus der Umgebung der Galvanisier­ stelle in das Innere der Walze gefördert und in den Elektrolytkreislauf abgeleitet werden. Beides verringert die Diffusionsschichtdicke und erlaubt, noch höhere Stromdichten anzuwenden, ohne Verbrennungen zu verursachen. Durch den extrem geringen Anoden-Kathodenabstand werden die Schichtdickenfehler infolge von Feldstärkenunterschieden vermieden. Weitere Faktoren, wie zum Beispiel die Qualität der abgeschiedenen Metallschicht, bestimmen die maximale Stromdichte.

Kommen im Leiterbild große metallische Flächen vor, so müssen diese durch Isolierstellen unterbrochen sein, damit für die abrollenden Walzen genügend isolierende Stützpunkte vorkommen. Dies stellt in der Praxis ebenfalls keinen Nachteil dar, weil bereits aus löttechnischen Gründen beim Leiterplattenlayout große metallische Flächen vermieden werden.

In Fig. 2 wird das ausschnittsweise im Querschnitt dargestellte Behandlungsgut elektrolytisch geätzt. Die auf dem Substrat 14 befindliche Kupferschicht 15 soll entsprechend des mit einem Isolierstoff 16 als Ätzmaske aufgebrachten positiven Leiterbildes geätzt werden. Dieses Leiterbild ist wieder gedruckt oder phototechnisch aufgebracht. Die mindestens an ihrer Oberfläche elektrisch leitfähige Elektrode 17 rollt auf dem Isolierstoff 16 ab. Damit ergibt sich wieder ein geringstmöglicher Anoden-Kathodenabstand. Er ist zu Beginn des Ätzvor­ ganges gleich der Schichthöhe 18 des Isolierstoffes 16, der als Ätzresist wirkt. Der Anoden-Kathodenabstand nimmt im Laufe des Behandlungsvorganges zu. Der maximale Abstand ist dann erreicht, wenn die Kupferschicht 15 bis zum Substrat 14 durchgeätzt ist. In der Praxis ist dieser Abstand nur ca. 0,3 mm. In Fig. 2 sind 50% der Schichtdicke geätzt dargestellt.

Kommen im Leiterbild große isolierte, d. h. ausgeätzte Flächen vor, so sind diese im Leiterplattenlayout durch nicht genutzte Leiter zu unterbrechen. Auf den Leitern befindet sich der isolierende Ätzresist, der beim Ätzen einen Kurzschluß der Elektrode 17 mit der metallischen Oberfläche des Behandlungs­ gutes verhindert.

Bei diesem Verfahren können durch das Ätzen leiterbildabhängig elektrisch isolierte Inseln entstehen. Die Folge ist, daß die Strukturen teilweise nicht vollständig ausgeätzt werden. Deshalb werden diese dünnen Restschichten in einem anschließenden chemischen Ätzschritt entfernt. Der Verbrauch von Stoffen ist hierfür gering. Das Entfernen der auf der Elektrode 17 durch das Ätzen abgeschiedenen metallischen Schicht erfolgt in einem weiteren bekannten Arbeitsschritt, der nicht Gegenstand dieser Erfindung ist. Beispiele hierfür sind das zeitweilige Umpolen, das zyklische Austauschen der Walzen oder mit Hilfe einer separaten Entmetallisierungsstromquelle, die mit einer Ablagerungselek­ trode an die Walze angeschlossen wird. Die Kontaktierung der rotierenden Elektrode 17, die Elektrolytführung und die Badstromversorgung entsprechen den obigen Erläuterungen anhand der Fig. 1.

Claims (5)

1. Verfahren zum beidseitigen elektrolytischen Metallisieren und Entmetalli­ sieren von mit Bohrungen versehenen Leiterplatten und Leiterfolien in Feinleitertechnik in horizontalen Durchlaufanlagen unter Verwendung von unlöslichen, rotierenden und mit einer Badstromquelle in Verbindung stehenden Elektroden, gekennzeichnet durch das Abrollen der walzenför­ migen und mindestens an der Oberfläche elektrisch leitfähigen Elektroden direkt auf der Oberfläche des auf dem Behandlungsgut aufgebrachten Isolierstoffes, das als Galvanisier- oder Ätzmaske das Leiterbild negativ oder positiv darstellt, so daß bei diesem geringstmöglichen Anoden- Kathodenabstand die schmalen Leiterzüge nicht mehr als Spitze, sondern als Fläche wirken und somit infolge nahezu gleicher örtlicher Feldstärken gleiche intensive elektrolytische Behandlung erfahren wie größere Flächen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim elek­ trolytischen Ätzen die durch Inselbildung verbleibenden Restschichten durch ein nachfolgendes chemisches Ätzen entfernt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die walzenförmigen Elektroden rohrförmig und mit Durchbrüchen in der Wandung versehen sind, durch die Elektrolyt im Kreislauf unter Druck aus dem Inneren der Walzen zum Behandlungsgut oder durch Saugen aus der Umgebung des Behandlungsgutes in das Innere gefördert wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die walzenförmigen Elektroden zugleich zur Führung und zum Transport des Behandlungsgutes durch die horizontale Durchlauf­ anlage dienen.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Galvanisier- oder Ätzmaske in ihrem Leiterbild so gestaltet ist, daß zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen der walzenförmigen Elektrode und dem Behandlungsgut im Leiterbild beim Galvanisieren große Metallflächen und beim Ätzen große Isolierflächen vermieden werden.