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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung
einer mehrschichtigen Leiterplatte und einer Verbundfolie zur Verwendung
darin.
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Die
Entwicklung sehr kompakter und leistungsstarker elektronischer Geräte wurde
durch hochdichte Leiterplatten (PCB) ermöglicht, die mit sequentieller
Aufbautechnik (SBU) gefertigt werden. Im Grunde genommen ist eine
mehrschichtig aufgebaute Leiterplatte eine Kombination mehrerer übereinander
angeordneter Schichten mit unterschiedlichen Verdrahtungsdichten,
wobei diese Schichten durch dielektrische Schichten voneinander
getrennt und durch Blind-Mikrovias,
die normalerweise Durchmesser unter 100 μm aufweisen, miteinander verbunden
sind.
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Heutzutage
sind prinzipiell drei verschiedene Technologien zur Herstellung
von Mikrovias lieferbar: 1. das photochemische Ätzen von Photodielektrika; 2.
das Plasmaätzverfahren;
und 3. das noch relativ neue Verfahren des Laserbohrens. Das Laserbohren ist
anscheinend die vielversprechendste Technologie für die Herstellung
von Mikovias. Gegenwärtig
werden zum Bohren von Mikrovias Excimer-, Nd:YAG- und CO2-Laserquellen eingesetzt, doch jede dieser Laserquellen
hat noch spezifische Nachteile. Excimer-Laser gelten für die industrielle
Produktion als wirtschaftlich nicht durchführbar. Sie haben eine niedrige
Abtragsrate pro Puls und erfordern hohe Investitionen für Sicherheitsvorkehrungen,
da Excimer-Lasergase extrem korrodierend wirken und hochgiftig sind.
Nd:YAG-Laser werden erfolgreich für kleinere und mittlere Produktionsmengen
von High-End-Produkten eingesetzt, bei denen die Mikrovias einen
Durchmesser zwischen 25 und ca. 75 μm aufweisen. Größere Löcher müssen mit
Kreisbohrungen (d.h. durch Bohren vieler kleinerer Löcher) bewerkstelligt
werden, was natürlich
die Bohrgeschwindigkeit beträchtlich
reduziert. CO2-Laser gewinnen bei größeren Produktionsmengen
von Mikrovias gegenüber
Nd:YAG-Lasern zunehmend
an Boden. Ihre Abtragsrate bei unverstärkten Polymeren ist etwa zwanzigmal
so hoch wie bei Excimer- oder Nd:YAG-Lasern.
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Werden
CO2-Laser jedoch auf den Polymerabtrag abgestimmt,
eignen sie sich nicht mehr zum Entfernen von Kupfer. Demzufolge
ist ein zusätzlicher
Verfahrensschritt – die
Herstellung einer Conformal Mask – notwendig, bevor mit einem
CO2-Laser ein Loch in eine dielektrischen
Schicht gebohrt werden kann. Während
dieses zusätzlichen
Schritts werden Öffnungen
im Kupferlaminat an den Stellen eingeätzt, an denen später das
Dielektrikum entfernt werden soll. Diese Methode ermöglicht die
Verwendung von CO2-Lasern zum Bohren von
Blind-Mikrovias, doch das Herstellungsverfahren wird durch den Conformal-Mask-Aufbauschritt
verlangsamt; außerdem
besteht ein reales Risiko, dass die Kupferschicht während des
Aufbaus der Conformal Mask beschädigt
wird.
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Es
wurde vorgeschlagen, die Löcher
mit einem Zwillingslaser-Gerät
zu bohren, um die obigen und anderen Nachteile der Conformal-Mask-Technologie
zu vermeiden. Ein solches Zwillingslaser-Gerät ist eine Kombination aus
einer CO2-Laserquelle und einem Infrarot-Festkörperlaser.
Zuerst wird mit dem Festkörperlaser
die Öffnung
in die Kupferfolie gebohrt. Anschließend wird die Harzschicht mit
dem CO2-Laser entfernt. Mit einem solchen
Zwillingslaser können
Mikrovias in kupferkaschierte Aufbauschichten gebohrt werden, doch
die Investitionskosten sind höher
als bei einem einfachen CO2-Laser; obendrein ist
der Verfahrensablauf wegen des Kupferbohrschritts langsam.
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Es
wurde auch vorgeschlagen, die Fertigung der Conformal Mask durch
einen „Halbätzschritt" zu ersetzen. Dabei
wird eine ca. 18 μm
dünne,
harzbeschichtete Kupferfolie zuerst auf die Grundplatte auflaminiert,
wobei die Kupferfolie oben angeordnet ist. Nach dem Laminieren wird
die 18-μm-Kupferfolie über ihre
gesamte Oberfläche
geätzt,
um ihre Dicke auf ca. 5 μm
zu reduzieren. Im nächsten
Schritt wird die Kupferfolie einer Schwarzoxid-Behandlung unterzogen,
um die Oberfläche
an das Laserbohren anzupassen. Danach werden die Mikrovias mit dem CO2-Laser direkt durch die 5-μm-Kupferschicht
und die darunterliegende Harzschicht gebohrt. Der „Halbätzschritt" ist natürlich weniger
kompliziert als der Conformal-Mask-Aufbau; das Herstellungsverfahren wird
jedoch durch den Halbätzschritt
verlangsamt, und die Kupferoberfläche könnte während des Halbätzschritts
beschädigt
werden. Außerdem
werden mit den CO2-Laserbohrungen in „halbgeätzten" Kupferfolien zur
Zeit noch keine zufrie denstellenden Ergebnisse erzielt. Die schlechten
Ergebnisse beruhen auf der Tatsache, dass das Ätzen der gesamten Oberfläche einer
beispielsweise 600 mm × 500
mm großen
Leiterplatte weder ein homogener noch präziser Vorgang ist. Bei den
neuesten Ätzstoffen
und Ätzmaschinen
werden Toleranzen von ±2 μm angegeben.
Die Dicke einer Kupferfolie, die auf eine Nenndicke von 5 μm heruntergeätzt wurde,
kann daher zwischen 3 μm
und 7 μm
variieren. Beim Bohren der Mikrovias wird die Laserenergie auf eine
Kupfer-Nenndicke von 5 μm
eingestellt. Wenn die Kupferschicht am Auftreffpunkt nur 3 μm dick ist,
ist die eingestellte Laserenergie zu hoch für die zu verdampfende Kupfermenge.
Folglich entstehen Kupferspritzer am Lochrand; außerdem ist
das Loch im dielektrischen Material dann normalerweise fehlgeformt.
Ist die Kupferschicht am Auftreffpunkt jedoch 7 μm dick, ist die Laserenergie
zu niedrig eingestellt, so dass das resultierende Loch im dielektrischen
Material einen zu kleinen Durchmesser aufweist oder nicht einmal bis
zur darunterliegenden Kupferschicht reicht. Das CO2-Laserbohren
wird wegen der enttäuschenden Ergebnisse
des Halbätzverfahrens
ausschließlich
bei nicht-kupferkaschierten Materialien oder beim Conformal-Mask-Ätzen eingesetzt.
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Das
US-Patent 3.998.601 offenbart eine Verbundfolie und ein Verfahren
zur Herstellung derselben. Die Verbundfolie umfasst eine galvanisch
aufgebrachte Kupfer-Trägerschicht
sowie eine zweite, wegen geringer Dicke nicht selbsttragende Kupferschicht.
Zwischen der Kupfer-Trägerschicht
und der zweiten Kupferschicht ist eine dünne Schicht eines Trennstoffs – vorzugsweise
Chrom – angeordnet.
Die zweite Kupferschicht ist maximal 12 μm dick. Durch Aufbringen dieser
Verbundfolie auf mit Epoxidharz imprägnierte Glasfasern kann ein
Laminat gebildet werden, wobei die ultradünne Kupferoberfläche in Kontakt
mit dem Epoxidharz-Glasfaser-Substrat steht und diese Baugruppe
einem herkömmlichen Laminierverfahren
unterzogen wird. Nach dem Abkühlen
des Laminats wird der mit dem Trennstoff beschichtete Kupferträger abgelöst, um ein
dünnes kupferkaschiertes
Laminat zu erzeugen, das sich zum Ätzen usw. bei der Herstellung
von Leiterplatten-Elementen eignet.
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In
JP 10 190236 wird ein Verfahren
zur Herstellung einer in mehreren Schichten verdrahteten Leiterplatte
beschrieben. Gemäß einem
ersten Schritt dieses Verfahrens werden eine Leiterplatte mit dem
gewünschten
Schaltungsmuster darauf, eine Metallfolie und eine Isolierschicht
positioniert, aufeinander gesetzt und laminiert. Im nächsten Schritt
wird eine Stelle auf einer zu verarbeitenden Leiterschicht einem
Verfahren unterzogen, um die Absorptionsrate des Lasers zu steigern.
Im folgenden Schritt wird ein Laserstrahl auf die verarbeitete Stelle
gerichtet, um die Metallfolie und die Isolierschicht zu schmelzen und
zu sublimieren und dadurch ein Loch zu erzeugen. In einem letzten
Schritt wird ein stromloses Beschichten durchgeführt, um die Leiter durch das
Loch hindurch elektrisch zu verbinden.
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Von
A. Kestenbaum et al. wird in „Laser
drilling of microvias in epoxy-glass printed circuit boards" [IEEE Transactions
on components, hybrids and manufacturing technology, Bd. 13, Nr.
4, Dezember 1990 (1990–12),
Seiten 1055–1062, XP000176849
IEEE Inc., New York, US-ISSN: 0148–6411] von der Möglichkeit
berichtet, mit Laser – besonders
mit CO2-Laser – kupferkaschierte Epoxidharz-Glasfasern zu bebohren.
Bei einem der Versuche wurde ein CO2-Laser
benutzt, um ein Durchgangsloch in eine 0,254 mm dicke Epoxidharz-Glasfaser-Schicht, die an beiden
Seiten eine 4,4 μm
dicke Kupferschicht hatte, zu bohren. Bei einem anderen Versuch
diente ein CO2-Laser dazu, ein Blindloch
in eine 0,254 mm dicke Epoxidharz-Glasfaser-Schicht, die an beiden
Seiten eine 4,4 μm
dicke Kupferschicht hatte, zu bohren.
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Das
Patent DE-A-31 03 986 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
gebohrter Löcher
für das
Durchkontaktieren in Leiterplatten, die aus Substratmaterialien
auf Kohlenstoffbasis bestehen. Die Durchgangslöcher werden mit einem CO2-Laser gebohrt. Die Metallschicht auf der
Oberseite der Leiterplatte können
mit einem strahlenspezifischen Akzeptor beschichtet werden, um die
Absorption des Laserstrahls zu verbessern. Besteht die Metallschicht
aus Kupfer, kann der Akzeptor aus Kupfer(II)-oxid sein.
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Folglich
besteht großer
Bedarf nach einem einfachen, effizienten Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger
Leiterplatten, bei dem hochwertige Mikrovias schnell mit dem Laser
gebohrt werden können.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dieses Ziel mit einem Verfahren nach Anspruch 1 erreicht.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verbundfolie
bereitzustellen, die schnelles Laserbohren hochwertiger Mikrovias
ermöglicht,
wenn sie zur Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten verwendet
wird. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dieses Ziel mit einer Verbundfolie nach Anspruch
14 erreicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger
Leiterplatten folgende Schritte:
- a) Bereitstellung
einer Grundplatte;
- b) Bereitstellung einer Verbundfolie einschließlich einer
Trägerfolie,
einer funktionellen Kupferfolie und einer unverstärkten, wärmehärtenden
Harzschicht, wobei die funktionelle Kupferfolie mit einer gleichmäßigen Dicke
von unter 10 μm
galvanisch auf der Trägerfolie
aufgebracht wird und die funktionelle Kupferfolie eine der Trägerfolie
zugewandte Vorderseite und eine mit der unverstärkten, wärmehärtenden Harzschicht beschichtete Rückseite
aufweist;
- c) Laminierung der Verbundfolie mit der harzbeschichteten Rückseite
an einer Seite der Grundplatte;
- d) Entfernung der Trägerfolie
von der funktionellen Kupferfolie, um die Vorderseite der funktionellen
Kupferfolie freizulegen;
- e) Bohren von Löchern
durch die funktionelle Kupferfolie und das Harz, um Mikrovias zu
bilden.
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Gemäß einem
wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzt die funktionelle
Kupferfolie der Verbundfolie einen Dicke von unter 10 μm – vorzugsweise
unter ca. 5 μm –, wodurch
ermöglicht
wird, mit einer CO2-Laserquelle Mikrovias
direkt von der freigelegten Vorderseite durch die sehr dünne funktionelle
Kupferfolie und die darunterliegende dielektrische Schicht zu bohren.
Daraus folgt, dass die Schritte „Halbätzen" und „Conformal-Mask-Aufbau" nicht länger erforderlich
sind, so dass das Herstellungsverfahren für mehrschichtige Leiterplatten
vereinfacht wird. Die Einfachheit des Verfahrens ermöglicht bei weniger
Verfahrensausrüstung
sehr schnelle Verarbeitung, hohe Produktivität und dadurch geringere Investitionskosten.
Mit anderen Worten: das Herstellungsverfahren wird effizienter.
Außerdem
wird der Verbrauch an chemischen Ätzstoffen erheblich reduziert,
was hinsichtlich des Umweltschutzes natürlich ein wichtiges Kriterium
darstellt. Es versteht sich in Bezug auf die Qualitätssteuerung,
dass die dünne funktionelle
Kupferfolie eine genaue Dicke besitzt und dass das Profil und die
Rauheit der Oberfläche kontrollierbar
und homogen sind, so dass für
den CO2-Laserstrahl überall vergleichbare
und reproduzierbare Bohrbedingungen gelten. Daraus folgt, dass die
Laserenergie überall
auf der Leiterplatte auf das Bohren sehr präziser Mikrovias eingestellt
werden kann (d.h.: bei den Mikrovias sind Form, Durchmesser und
Höhe gut
ausgeprägt),
ohne dass Kupferspritzer auf der Kupferoberfläche entstehen. Es versteht
sich auch, dass der Träger
die erforderliche Starrheit für
die Handhabung der funktionellen, harzbeschichteten Kupferfolie
aufweist. Außerdem
wird letztere zwischen ihrem Träger
und ihrer Harzschicht vor Partikeln, chemischen oder atmosphärischen Wirkstoffen
geschützt,
die die Integrität
der Oberfläche
beschädigen
und das beabsichtigte Schaltungsmuster verändern können. Wegen der selbsttragenden
Trägerfolie
wird nicht nur die sehr dünne
funktionelle Kupferfolie, sondern auch die eher spröde Harzschicht
vor Rissen, Spalten und Knickstellen geschützt. Während des Laminierens schützt der
Träger
die sehr dünne
funktionelle Kupferfolie wirksam vor Staub und Partikeln (z.B. Harzpartikeln),
die in die Oberfläche
eindringen könnten,
sowie vor einem Durchschlag des Harzes. Nach dem Entfernen des Trägers ist
die funktionelle Kupferschicht demzufolge sauber und frei von irgendwelchen
Mängeln
wie z.B. Einkerbungen, Rissen, Spalten oder Knickstellen.
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Die
funktionelle Kupferfolie wird durch galvanisches Auftragen erhalten.
Die Vorderseite der funktionellen Kupferfolie wurde vorteilhafterweise
einer Oberflächenvorbereitung
unterzogen, die die Absorption von CO2-Laserlicht
begünstigt.
Mit einer solchen Oberflächenvorbereitung
kann beispielsweise eine Vorderseite mit einem speziellen Oberflächenprofil,
einer speziellen Oberflächenrauheit
und/oder einer Farbe bereitgestellt werden, die die Absorption von
CO2-Laserlicht
begünstigt.
Diese Vorbereitung kann während
der Herstellung der Verbund-Kupferfolie erfolgen, so dass die funktionelle
Kupferfolle nach dem Entfernen ihres Trägers für das Laserbohren bereit ist.
Die Vorderseite der funktionellen Kupferfolie kann auch vor dem
Laserbohren mit einer Schwarz oxid-Konversionsschicht bedeckt werden,
wodurch die Absorption von CO2-Laserlicht begünstigt wird.
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Es
versteht sich, dass die Verbundfolie vorzugsweise eine Trennschicht
zwischen der Trägerfolie
und der funktionellen Kupferfolie einschließt. Eine solche Trennschicht – z.B. eine
dünne chrombasierte Trennschicht – kann auf
einfachem Wege die Trennung der Trägerfolie ermöglichen.
In diesem Fall besteht die Entfernung des Trägers dann normalerweise aus
dem gleichzeitigen mechanischen Ablösen der Trägerfolie und der Trennschicht,
d.h., dass die Trennschicht mit der Trägerfolie verbunden bleibt.
Es kann jedoch eine andersartige Trennschicht auf der funktionellen
Kupferfolie statt auf der Trägerfolie
verbleiben – wenn
die Trägerfolie
entfernt wird – und eine
besondere Oberflächenfarbe
aufweisen, die die Absorption von CO2-Laserlicht
begünstigt.
Eine solche Trennschicht, die eine doppelte Funktion besitzt, kann
eine dunkelfarbige, leitende Materialschicht sein und sollte das
galvanische Beschichten mit Kupfer ermöglichen, um die funktionelle
Kupferfolie darauf zu bilden; sollte eine starke Haftung an der
funktionellen Kupferfolie aufweisen; und sollte eine Farbe haben,
die die Absorption des Infrarotlichts des CO2-Lasers
begünstigt.
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In
einer ersten Ausführung
ist das Harz ein Harz im B-Zustand. Es kann sich daher an die darunterliegenden
Schaltkreise der Grundplatte anpassen, und die Polymerisation wird
während
des Laminierens vollendet.
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In
einer zweiten Ausführung
besteht die Harzschicht an der Rückseite
aus einer Harzschicht im C-Zustand, die auf die Rückseite
der funktionellen Kupferfolie aufgebracht ist, sowie einer Harzschicht im
B-Zustand, die auf der Harzschicht im C-Zustand aufgebracht ist.
Die isolierende Schicht ist daher dicker und kann sich an die darunterliegende
Schaltkreisschicht anpassen.
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Es
versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch eine Verbundfolie
vorsieht, die in einem Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen
Leiterplatte verwendet wird. Diese Verbundfolie umfasst selbsttragende
Trägerfolie
(vorzugsweise eine Kupferfolie mit einer Dicke von 18 bis 150 μm); eine Trennschicht
an einer Seite der Trägerfolie;
eine funktionelle Kupferfolie (galvanisch mit einer gleichmäßigen Dicke
von unter 10 μm
oder – am
meisten bevorzugt – 5 μm auf der
Trennschicht aufgebracht); eine der Trennschicht zugewandte Vorderseite
sowie eine Rückseite;
und eine unverstärkte,
halbpolymerisierte wärmehärtende Harzschicht
an der Rückseite der
funktionellen Kupferfolie.
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Die
Vorderseite der funktionellen Kupferfolie hat vorzugsweise eine
Oberflächenvorbereitung
erhalten, die die Absorption von CO2-Laserlicht
begünstigt.
Eine solche Oberflächenvorbereitung
kann durch Bildung einer dunkelfarbigen, leitenden Materialschicht
zwischen der Trennschicht und der funktionellen Kupferfolie durchgeführt werden.
In einer ersten Ausführung
der Verbundfolie der Erfindung kann die dunkelfarbige, leitende
Materialschicht Ruß und/oder
Graphit umfassen. In einer zweiten Ausführung kann die dunkelfarbige,
leitende Materialschicht eine dunkelfarbige, elektrisch leitende
Polymerschicht umfassen.
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Es
versteht sich, dass die Trennschicht selbst eine dunkelfarbige,
leitende Materialschicht sein kann und dadurch eine doppelte Funktion
der Trennschicht und Oberflächenvorbereitung
zeigt, die die Absorption von CO2-Laserlicht
begünstigt.
Die Verbundfolie würde
dann eine Trägerfolie – die Trennschicht
besitzt hier eine doppelte Funktion –, eine funktionelle Kupferfolie
und eine Harzschicht umfassen. Es versteht sich, dass eine solche
Trennschicht im Gegensatz zu einer herkömmlichen Trennschicht (wie
z.B. einer Chrom-Trennschicht) an der Vorderseite der funktionellen
Kupferfolie haften bleibt, wenn die Trägerfolie entfernt wird.
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Die
Rückseite
der funktionellen Kupferfolie hat vorteilhafterweise eine auf ihr
aufgebrachte Haftschicht, um ihre Haftfestigkeit an der Harzschicht
zu verbessern. Außerdem
kann die funktionelle Kupferfolie mit einer Passivierungsschicht – vorzugsweise zwischen
der Haftschicht und der Harzschicht – bedeckt werden, um die Stabilität der Rückseite
zu gewährleisten.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung
einer nicht einschränkenden
Ausführung
im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen näher aufgezeigt.
Es zeigen:
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1:
einen Querschnitt (im Rasterelektronenmikroskop) einer Verbundfolie,
die zur Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte verwendet wird;
und
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2:
eine schematische Ansicht, die die Verfahrensschritte der Herstellung.
einer mehrschichtigen Leiterplatte darstellt.
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Beim
vorliegenden Verfahren wird eine Verbundfolie 10 – genauer
gesagt: eine mit Harz beschichtete, auf einem Träger aufgebrachte Kupferfolie
zum Aufbau einer mehrschichtigen Leiterplatte – verwendet. 1 zeigt
eine Rasterelektronenmikroskop-Ansicht einer solchen Verbundfolie,
die auf eine Grundplatte auflaminiert ist. Die Verbundfolie umfasst
vier verschiedene Schichten: eine Trägerfolie 12; eine
Trennschicht 14; eine funktionelle Kupferfolie 16;
und eine Harzschicht 18. Eine solche Verbundfolie resultiert
aus zwei aufeinander folgenden Herstellungsverfahren.
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Das
erste Verfahren ähnelt
dem im US-Patent 3.998.601 beschriebenen Verfahren. Zuerst wird eine
70 μm dicke
Trägerfolie 12 aus
einem säurebasierten
Elektrolyten durch kontinuierliche Galvanisierung auf einer rotierenden
Titantrommel aufgebracht, die eine präzise bearbeitete Oberfläche aufweist.
Die Topographie der Trommel schreibt die Anfangsschicht des abgeschiedenen
Kupfers vor und kontrolliert diese. Die Topographie der anderen
Seite (matte Seite) der Trägerschicht
wird durch die Zusatzstoffe im basischen Kupferelektrolyten der
Trommel kontrolliert. In einem weiteren Schritt wird die Trennschicht 14 auf
einer Oberfläche
der Trägerfolie 12 aufgebracht,
wobei die Haftung sehr genau kontrolliert wird, aber relativ gering
ist. Die Trennschicht 14 ist normalerweise unter 1 μm dick und
damit sehr dünn.
Die funktionelle Kupferschicht 16 wird mit einer Dicke
von vorzugsweise 5 μm
galvanisch auf der Trennschicht 14 aufgebracht. Die nachfolgend
als Vorderseite bezeichnete Seite der funktionellen Kupferfolie 16,
die der Trägerfolie 12 zugewandt
ist, ist demnach ein Spiegelbild der Oberfläche der Trägerfolie 12, die mit
der Trennschicht 14 bedeckt ist. Daraus ergibt sich, dass
durch Einwirken auf die Struktur der Oberfläche der Trägerfolie 12, die mit
der Trennschicht 14 bedeckt ist, ein spezielles Oberflächenprofil
und eine spezielle Oberflächenrauheit
der Vorderseite der funktionellen Kupferfolie 16 erzeugt
werden kann. Die nachfolgend als Rückseite bezeichnete andere
Seite der Kupferfolie 16 ist eine matte Seite. Diese Rückseite
wird einer Reihe von chemischen und elektrochemischen Behandlungen
unterzogen, die einige Funktionseigenschaften definieren, z.B. die
Haftfestigkeit in Bezug auf die Harzschicht sowie die Stabilität in Bezug
auf die Korrosion. Es wird also eine Haftschicht, die durch galvanisches
Aufbringen von Kupferkügelchen
erhalten wird, an der Rückseite der
funktionellen Kupferfolie gebildet. Anschließend wird eine Passivierungsschicht
auf der Haftschicht aufgebracht. Es versteht sich, dass eine Passivierungschicht
auch auf der exponierten (d.h. nicht mit der Trennschicht 14 bedeckten)
Seite der Trägerfolie 12 aufgebracht
werden kann, um die Bildung eines „blauen Oxidationsrahmens" während der
Leiterplattenherstellung z.B. in einer Presse zu vermeiden.
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Im
folgenden Verfahren wird die Verbund-Kupferfolie 12, 14, 16 in
einer Beschichtungsmaschine verarbeitet, in der die Rückseite
der funktionellen Kupferfolie 16, die bereits mit der Haftschicht und
der Passivierungsschicht (nicht in den Figuren abgebildet) bedeckt
ist, mit einem unverstärkten, wärmehärtenden,
und vorzugsweise halbpolymerisierten Harz (im B-Zustand oder halbgehärtet) beschichtet
wird. Die Verwendung eines Harzes im B-Zustand ist sehr nützlich,
wenn die Verbundfolie auf einer Grundplatte auflaminiert wird. Da
das Harz nur halbpolymerisiert ist, kann es sich an die darunterliegende
Topographie der Schaltkreise der Außenschicht der Grundplatte
anpassen. Überdies
kann die Polymerisierung des Harzes im B-Zustand während des
Laminierens vollendet werden (wodurch Harz im C-Zustand entsteht),
da sie z.B. in einer hydraulischen Presse oder in einem Druckkessel
mit Erhitzungs- und Kühlungszyklen
durchgeführt
wird.
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Die
Harzschicht 18 kann auch zwei übereinander angeordnete Schichten
umfassen. Eine erste dünne
Schicht (25–45 μm) mit Harz
im C-Zustand wird auf der funktionellen Kupferschicht aufgebracht, während eine
zweite Schicht mit halbgehärtetem Harz
auf der obigen Harzschicht aufgebracht wird. Dieser Verfahrensweg
führt zu
einer dicken Harzschicht und ist leichter und sicherer als das Auftragen einer
einzelnen Harzschicht im B-Zustand mit gleicher Dicke. Es ist natürlich auch
möglich,
mehr als zwei Harzschichten aufzubringen, um die gewünschte Dicke
zu erhalten.
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2 zeigt
ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen
Leiterplatte gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Das
Verfahren beginnt in Schritt A1 mit der Bereitstellung einer fertigen
Grundplatte 20. Die in 2 abgebildete
Grundplatte 20 besteht z.B. aus einem an einer Seite kupferkaschierten
Prepreg 19, bei dem die Schaltungsmuster 21 bereits
in die Kupferkaschierung eingeätzt
wurden. Die Oberflächen der
Schaltungsmuster 21 werden bevorzugt mit Oxidation oder
Aufrauung behandelt, um eine höhere Haftfestigkeit
am folgenden darüberliegenden
dielektrischen Material zu erzielen.
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In
Schritt A2 wird eine wie oben hergestellte Verbundfolie 10 auf
einer Seite der Grundplatte 20 auflaminiert, wobei die
Harzschicht 18 der Verbundfolie 10 den Schaltkreisen 21 der
Grundplatte 20 zugewandt ist. Dieses Laminieren findet
in einer hydraulischen Presse statt und schließt vorzugsweise mehrere Kühlungs- und Erhitzungszyklen
ein. Während
des Laminierschritts wird die Polymerisierung der wärmehärtenden
Harzschicht im B-Zustand vollendet. Es versteht sich, dass vor dem
Laminieren durch Positionierung eines interlaminaren dielektrischen
Blattes zwischen der Grundplatte 20 und der Verbundfolie 10 eine
größere Dicke
des dielektrischen Materials erreicht werden kann.
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Sobald
der Laminiervorgang abgeschlossen und das Harz 18 vollständig polymerisiert
ist, beginnt Schritt A3, bei dem die Trägerfolie 12 und die
Trennschicht 14 mechanisch abgelöst werden. Die sehr dünne Trennschicht 14 bleibt
an der 70 μm
dicken Kupfer-Trägerfolie 12 haften,
so dass eine atomisch reine, homogene und fehlerlose funktionelle
Kupferschicht 16 auf der Oberseite der Grundplatte 20 verbleibt.
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In
Schritt A4 wird die funktionelle Kupferfolie 16 vorzugsweise
einer Oberflächenbehandlung
unterzogen, um ihre Vorderseite für das direkte CO2-Laserbohren vorzubereiten.
Diese Oberflächenbehandlung
kann darin bestehen, dass eine Schwarzoxid-Konversionsschicht 22 auf
der funktionellen Kupferfolie 16 abgeschieden wird. Die
Schwarzoxid-Konversionsschicht gewährleistet effizientes CO2-Laserbohren, da sie die Reflexion von Laserlicht
auf die unbedeckte Kupferoberfläche
reduziert. Es versteht sich, dass die Schwarzoxid-Konversionsschicht durch
irgendeine an das Laserbohren angepasste Oxid-Konversionsschicht ersetzt werden kann,
z.B. durch eine Braunoxid-Konversionsschicht.
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Schritt
A5 besteht darin, dass Blind-Mikrovias 24 in die funktionelle
Kupferfolie 16 und die Harzschicht 18 gebohrt
werden, um die darunterliegenden Kupfer-Anschlussflächen für den zukünftigen Anschluss
der funktionellen Kupferfolie 16 und der Schaltungsmuster 21 auf
der Grundplatte 20 zu erreichen. Es versteht sich, dass
die Mikrovias direkt mit einer CO2-Laserquelle
in einem Schritt durch die funktionelle Kupferfolie 16 und
die Harzschicht 18 gebohrt werden. CO2-Laserquellen
emittieren Licht im Infrarotbereich bei einer Wellenlänge zwischen
9,4 und 10,6 μm.
Solche Infrarotwellenlängen
eignen sich nicht besonders gut für den Kupferabtrag, aber die
funktionelle Kupferfolie 16 wird wegen ihrer Dünnheit und
speziellen Oberflächenbehandlung
trotzdem ohne Schwierigkeiten vom CO2-Laserstrahl
durchstoßen.
Nach Entfernung der sehr dünnen
Kupferschicht kommen die Vorteile des CO2-Lasers
voll zur Geltung. Über
90% der Laserstrahlen werden dann durch das darunterliegende dielektrische
Material bis zu einer Tiefe absorbiert, die ein Mehrfaches der Wellenlänge beträgt. Daraus
resultieren sehr hohe Abtragsraten pro Laserpuls und demzufolge
hohe Bohrgeschwindigkeiten. Es versteht sich außerdem, dass der Materialabtrag
mit einem CO2-Laser auf einem photothermischen
Verfahren beruht. Die Laserstrahlen werden von dem zu entfernenden
Material absorbiert, das verdampft und durch den daraus resultierenden Überduck
aus der Interaktionszone herausgetrieben wird. Sobald die untere
Ziel-Anschlussfläche
freigelegt ist, werden die Laserstrahlen fast vollständig durch
diese Ziel-Anschlussfläche
reflektiert, wodurch die Materialentfernung automatisch gestoppt
wird.
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Als
nächstes
werden in Schritt A6 die Durchgangslöcher 26 mechanisch
in die Leiterplatte gebohrt. Es versteht sich, dass dieser Schritt
optional ist (Erklärung
dazu später).
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Schritt
A7 ist eine Kombination aus vier Unterschritten:
- – die Leiterplatte
wird zuerst mit Hochdruckwasser gereinigt;
- – die
Leiterplatte wird danach vollständig
von der Schwarzoxid-Konversionsschicht
befreit und einem Entschmierungsverfahren unterzogen, das die Entfernung
aller Rückstände vom
CO2-Laserabtrag gewährleistet;
- – anschließend wird
zuerst Kupfer durch stromloses Beschichten in den Mikrovias, Durchgangslöchern und
auf der gesamten Leiterplatte aufgebracht;
- – schließlich wird
eine galvanische Verstärkung – d.h. galvanisches
Auftragen von Kupfer – vorzugsweise
so lange durchgeführt,
bis die äußere Kupferschicht 16' z.B. ca. 18 μm dick ist.
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In
Schritt A8 wird die äußere Kupferschicht 16', die jetzt
vorzugsweise 18 μm
dick ist, geätzt,
um die Schaltungsmuster 28 auf der äußeren Oberfläche zu erzeugen.
Die Schaltungsmuster können
in Schritt A7 vor der stromlosen Beschichtung und galvanischen Verstärkung geätzt werden,
wobei das Verfahren am Ende von Schritt A7 wieder mit letzterer
abgeschlossen wird.
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Es
versteht sich, dass Schritt A4 (d.h. das Aufbringen der Schwarzoxid-Konversionsschicht) des
Verfahrens von 2 ausgelassen werden kann, wenn
eine Verbundfolie mit einer funktionellen Kupferfolie verwendet
wird, deren Vorderseite während
der Herstellung für
das Laserbohren vorbereitet wurde. Die Vorderseite ist in der Regel
eine schimmernde Fläche,
die den CO2-Laserstrahl reflektiert; die
Schwarzoxid-Konversionsschicht verhindert diese Reflexion und bewirkt,
dass der CO2-Laserstrahl die Kupferoberfläche erhitzt
und dadurch Material abträgt.
Eine andere Möglichkeit,
die Reflexion des CO2-Laserstrahls zu vermeiden,
besteht darin, während
der Herstellung der Verbundfolie eine nicht reflektierende Vorderseite
zu fertigen. Die Vorderseite wird durch ihre Farbe und Mattheit
charakterisiert. Diese Eigenschaften der Vorderseite sollten diesbezüglich so
vorbereitet werden, dass die Oberfläche ein Profil und eine Rauheit
besitzt, die die Absorption von CO2-Laserlicht
begünstigen.
Die Vorderseite sollte außerdem
einer Oberflächenbehandlung
unterzogen werden, damit sie eine Farbe bekommt, die die Absorption
von CO2-Laserlicht begünstigt.
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Eine
solche Oberflächenvorbereitung,
die während
der Herstellung durchgeführt
wird, umfasst beispielsweise einen Schritt, bei dem eine dünne Schicht
dunkelfarbigen, elektrisch leitenden Materials auf der Trennschicht
vor der galvanischen Beschichtung der funktionellen Kupferfolie
aufgebracht wird. Beim Ablösen
der Trägerfolie
und der Trennschicht haftet die dünne Schicht dunkelfarbigen, elektrisch
leitenden Materials an der Vorderseite der funktionellen Kupferfolie
und verleiht dieser Vorderseite dadurch eine dunkelfarbige Oberfläche. Eine solche
dünne Schicht
dunkelfarbigen, elektrisch leitenden Materials muss selbstverständlich an
der Trennschicht haften bleiben, die galvanische Beschichtung mit
Kupfer zur Bildung der darauf aufzubringenden Kupferfolie zulassen,
stärker
an der funktionellen Kupferfolie als an der Trennschicht haften sowie
eine Farbe aufweisen, die die Absorption des Infrarotlichts des
CO2-Lasers begünstigt.
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Obendrein
versteht sich, dass eine solche dünne Schicht dunkelfarbigen,
elektrisch leitenden Materials die Rolle der Trennschicht selbst
und natürlich
auch die der Oberflächenvorbereitung übernehmen
kann, die die Absorption von CO2-Laserlicht
begünstigt.
Folglich würde
die Verbundfolie in diesem Fall eine Trägerfolie, eine Trennschicht
dunkelfarbigen, elektrisch leitenden Materials, eine funktionelle Kupferfolie
sowie eine Harzschicht umfassen. Es versteht sich, dass die Trennschicht
dann an der Vorderseite der funktionellen Kupferfolie haften bleiben muss,
wenn die Trägerfolie
abgelöst
wird.
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Für die Bildung
einer solchen dunkelfarbigen, elektrisch leitenden Materialschicht
kommt als Erstes Kohlenstoff in Frage. Durch Abscheiden von Kohlenstoff
erhält
man praktisch eine durchgehende Kohlenstoffschicht. Das Abscheiden
von Kohlenstoff kann die Aufbringung einer flüssigen Kohlenstoffdispersion
auf der Seite der Trägerfolie
umfassen – möglicherweise
mit einer chrombasierten Trennschicht bedeckt –, die der funktionellen Kupferfolie zugewandt
ist. Im Allgemeinen enthält
die Kohlenstoffdispersion drei Hauptbestandteile, nämlich: Kohlenstoff;
einen oder mehrere oberflächenaktive
Stoffe, die den Kohlenstoff dispergieren können; und eine Flüssigkeit
als Dispersionsmedium wie z.B. Wasser. Es können viele Kohlenstoffarten
verwendet werden, einschließlich
Kohlenstoffschwarz, Ofenruß und
geeigneten kleinen Graphitpartikeln. Der durchschnittliche Durchmesser
der Kohlenstoffpartikel sollte so klein wie möglich sein, damit eine gleichmäßige Beschichtung
erreicht wird. Die Kohlenstoffpartikel können vor oder nach dem Abscheiden
behandelt werden, um das stromlose Beschichten zu steigern oder zu
verbessern. Aus diesem Grund können
die Kohlenstoffpartikel mit besonde ren Farbstoffen und/oder leitenden
Metallen behandelt oder chemisch oxidiert werden.
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Das
folgende Beispiel ist keine Ausführung der
Erfindung aber wird für
ihre Verständnis
verwendet. Zur Herstellung einer Verbund-Kupferfolie mit einer funktionellen
Kupferfolie, die eine für
das Laserbohren vorbereitete Vorderseite aufweist, wurde eine 35 μm dicke Trägerfolie
aus Kupfer verwendet. Eine Chrom-Trennschicht wurde auf herkömmliche
Weise (wie in US-Patent 3.998.601 beschrieben) auf einer Seite der
Trägerfolie
galvanisch abgschieden. Dann wurde – wie oben beschrieben – eine dünne (15–25 μm) leitende,
ruß- oder
graphithaltige Schicht (d.h. die dunkelfarbige, elektrisch leitende
Materialschicht) auf der mit Chrom beschichteten Seite der Trägerfolie
aufgebracht. Die Kohlenstoffpaste bestand aus Carbon-Leitlack SD
2841 HAL-IR (Lackwerke Peters, D-47906 Kempen) und wurde mittels
Infrarotlicht getrocknet. Anschließend wurde eine 5 μm dicke funktionelle
Kupferfolie galvanisch auf der kohlenstoffbeschichteten Seite der
Trägerfolie
aufgebracht. Die galvanische Beschichtung der funktionellen Kupferfolie
wurde in einem galvanischen Bad durchgeführt, das 60 bis 65 g/L Kupfersulfat
(als Cu2+) und 60 bis 65 g/L Schwefelsäure enthielt.
Die Stromdichte lag bei 11 A/dm2 und die
Temperatur des galvanischen Bads bei 60°C. Danach wurde die Außenseite
der funktionellen Kupferfolie mit Kügelchen behandelt. Die Folie
wurde dann in einem herkömmlichen
Glasfaser-Epoxidharz-FR4-Prepreg (Duraver-E-104 von der Isola AG,
D-52348 Düren)
80 Minuten bei 175°C und
20–25
bar laminiert. Nach Abkühlung
auf Raumtemperatur wurde die Trägerfolie
manuell abgelöst. Als
Resultat erhielt man eine schwarze Schicht auf der 5 μm dicken
funktionellen Kupferfolie, für
die keine weitere Oberflächenvorbereitung
vor dem CO2-Laserbohren erforderlich war.
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Als
zweiter Stoff für
die Herstellung der dunkelfarbigen, elektrisch leitenden Materialschicht kommt
ein dunkelfarbiges, elektrisch leitendes Polymer in Frage. Einige
Monomere wie z.B. Pyrrol, Furan, Thiophen und einige ihrer Derivate
sowie auch funktionalisierte Monomere können zu Polymeren oxidiert
werden, die elektrisch leitend sind. Ein solches Monomer wird vorzugsweise
durch ein Nassverfahren – d.h.
in einer Flüssigkeit
oder in einem Aero sol – auf
der Trennschicht aufgebracht. Das Monomer wird anschließend polymerisiert
und die funktionelle Kupferfolie auf der Polymerschicht abgeschieden.
Es versteht sich, dass das Monomer Bestandteil einer mindestens
ein Lösungsmittel
enthaltenden Fällungslösung sein
kann, wenn es an der Seite der Trägerfolie aufgebracht wird,
die möglicherweise
mit einer Trennschicht bedeckt ist, die der funktionellen Kupferfolie
zugewandt ist. Die Fällungslösung könnte auch
einen Zusatzstoff enthalten, der die Dunkelheit des polymerisierten
Monomers steigert.
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Falls
die Verbundfolie eine chrombasierte Trennschicht und eine dunkelfarbige,
elektrisch leitende Materialschicht aufweist, kann die Trennschicht
während
der Herstellung der Verbundfolie behandelt werden, damit die Kohlenstoffschicht
bzw. dunkelfarbige, elektrisch leitende Polymerschicht nicht zu
stark an der Trennschicht haftet. Dadurch wird die Haftung dieser
Schichten an der Vorderseite der funktionellen Kupferfolie gewährleistet,
was auch anzustreben ist, wenn die Trägerfolie und die Trennschicht
in Schritt A3 abgelöst
werden.
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Es
versteht sich, dass das hier vorgestellte Verfahren für eine einseitige
Grundplatte beschrieben wurde. Es lässt sich jedoch auch bei einer
doppelseitigen Grundplatte anwenden, wobei die verschiedenen Schritte
nacheinander an beiden Oberflächen
durchgeführt
werden. Die Verbundfolie 10 könnte auch eine 35 μm dicke Trägerfolie 12 statt
einer 70 μm
dicken Trägerfolie 12 umfassen.
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Es
versteht sich außerdem,
dass eine Leiterplatte im Allgemeinen mehrere äußere Schichten umfasst. Folglich
kann die Leiterplatte in Schritt A8 als Grundplatte beim oben beschriebenen
Herstellungsverfahren dienen, um äußere Schichten an ihr hinzuzufügen. Es
versteht sich aber auch, dass Schritt A6 nicht erforderlich ist,
um von Schritt A5 zu Schritt A7 zu gelangen; Schritt A6 wurde aus
diesem Grund als „optional" bezeichnet. Bei
Bedarf erfolgt das mechanische Bohren der Durchgangslöcher normalerweise
erst dann, wenn die letzte Außenschicht der
Leiterplatte hergestellt wird. Mit anderen Worten: die bei Schritt
A8 nach einem ersten Ablauf des Herstellungsverfahrens erhaltene
Leiterplatte hat möglicherweise
kein mechanisch gebohrtes Durchgangs loch. Es versteht sich auch,
dass beim ersten Ablauf des Verfahrens die Grundplatte 20 bei
Schritt A1 bereits eine ein- oder doppelseitige Leiterplatte sein kann,
die aus mehreren Schichten besteht.