DE69023234T2

DE69023234T2 - Gedruckte schaltungsplatten.

Info

Publication number: DE69023234T2
Application number: DE69023234T
Authority: DE
Inventors: Michael Anthony Cockett; Nicholas Eric Ivory; Derek Edward Wilson
Original assignee: Coates Brothers and Co Ltd
Current assignee: Coates Brothers and Co Ltd
Priority date: 1989-04-11
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: GB2230871A; WO1990012482A2; DE69023234D1; GB8908155D0; EP0467945A1; WO1990012482A3; EP0467945B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei der Herstellung von Leiterplatten und bezieht sich daher auf die Herstellung von mit Zeichenmustern (Leiterbild) versehenen Schichten elektrisch leitfähiger Metalle auf elektrisch isolierenden Substraten und bezieht sich speziell auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung. das sich zur Erzeugung von mehrlagigen Leiterplatten eignet, d.h. Platten in Stapel lagen. die jeweils voneinander isoliert und. wo erforderlich. miteinander verbunden sind.
Die Verwendung sogenannter "Resists" bei der Herstellung von Leiterplatten u.dgl. ist gut eingeführt. so daß die Anwendung photographisch auflösbarer Resists für die Erzeugung von Masken bei Arbeiten weitverbreitet ist. wie beispielsweise beim Ätzen, Plattieren und Löten. Eine derartige Anwendung wird in der WO-A-8901282 diskutiert. Bei der vorliegenden Erfindung werden photographisch auflösbare Resists eingesetzt. wobei mindestens in einem gewissen Umfang gehärtete Resists einen Teil des Endprodukts bilden.
Die vorliegende Erfindung gewährt grundlegend ein Verfahren zur Herstellung einer mit Leiterbild eines elektrisch leitfähigen Metalls versehenen Isolierschicht auf einem Substrat, umfassend die Schritte der Erzeugung einer mit Leiterbild versehenen Reliefschicht eines elektrisch isolierenden Resist-Materials auf dem Substrat mit Hilfe eines Photo- Auflösungsprozesses, umfassend die Schritte:
(ii) bildpunktweises Exponieren der Schicht des strahlungshärtbaren Materials an Strahlung, um dadurch Abschnitte der an einer solchen Strahlung exponierten Schicht zu härten; und
(iii) Entfernen der Abschnitte der nicht durch Strahlung exponierten Schicht mit Hilfe eines geeigneten Lösemittels, um dadurch auf dem Substrat eine mit Leiterbild versehene Schicht aus gehärtetem, strahlungshärtbaren Material zu erzeugen; sowie
nachfolgendes Einführen von elektrisch leitfähigem Metall in die Bahnen (Vertiefungen) in der mit Leiterbild versehenen Reliefschicht, wobei eine dünne Schicht aus leitfähigem Metall in den Bahnen mit Hilfe der folgenden Schritte erzeugt wird:
(iv) Aufbringen einer Schicht eines elektrisch leitfähigen Metalls über der Oberfläche des Substrats und des in Schritt (iii) des Photo- Auflösungsprozesses erhaltenen, mit Leiterbild versehenen und gehärteten Reliefmaterials;
(v) Aufbringen einer Schicht eines strahlungshärtbaren Materials auf der in Schritt (iv) abgeschiedenen Metallschicht;
(vi) bildpunktweises Exponieren der Schicht des strahlungshärtbaren Materials an Strahlung in einem zu dem in Schritt (ii) des Photo- Auflösungsprozesses negativen Leiterbildes, um dadurch Abschnitte des an einer solchen Strahlung exponierten, strahlungshärtbaren Materials zu härten, jedoch in einem geringeren Maß als das mit Leiterbild versehene, gehärtete Material, das bereits auf dem Substrat vorhanden ist;
(vii) Entfernen der nichtexponierten Abschnitte des strahlungshärtbaren Materials mit Hilfe eines geeigneten Lösemittels, um die in Schritt (iv) erhaltenen Abschnitte der Metallschicht zu exponieren;
(viii)Entfernen der Abschnitte des in Schritt (vii) exponierten Metalls mit Hilfe eines geeigneten Atzmittels;
(ix) Entfernen des in Schritt (vi) erhaltenen gehärteten Materials. um dadurch andere Abschnitte des Schritt (iv) abgeschiedenen Metalls zu exponieren: sowie
(x) Abscheiden von zusätzlichem, elektrisch leitfähigem Metall auf den mit Leiterbild versehenen Metallabschnitten. die in Schritt (ix) exponiert wurden.
Um eine Reihe von übereinanderliegenden Schichten aufzubauen, wird der erfindungsgemäße allgemeine Gesamtprozeß vorzugsweise mehrere Male wiederholt. Sofern angestrebt, können Zwischenschichten aus photogehärtetem Resist-Material auf jeder der entsprechend der vorstehenden Beschreibung aufgebrachten Schichten aufgebracht werden, wobei derartige Zwischenschichten im allgemeinen entsprechend miteinander verbundene Durchgangslöcher aufweisen (die mit Hilfe eines Photo-Auflösungsprozesses erzeugt werden), um die Bahnen in der einen Schicht mit denen in einer anderen zu verbinden. Das Metall kann in solchen Durchgangslöchern als und beim Einführen vom Metall in die Bahnen in einer mit Leiterbild versehenen Reliefschicht unmittelbar oberhalb der Zwischenschicht eingebracht werden. Abschließende Verbindungen können ebenfalls durch Aufbringen einer Metallschicht über der Oberfläche einer mit Leiterbild versehenen Platte hergestellt werden.
Die erste einer Reihe von erfindungsgemäßen Schichten kann auf einem elektrisch isolierenden Substrat oder auf einem Substrat erzeugt werden, welches eine elektrisch leitfähige Metallschicht aufweist, um das nachfolgende Plattieren der Bahnen in der ersten, mit Leiterbild versehenen Reliefschicht zu erleichtern.
Zum leichteren Verständnis der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen, bei denen es sich um vereinfachte schematische Querschnitte durch die Platten handelt, die die verschiedenen Stufen der erfindungsgemäßen Prozesse veranschaulichen. Fig. 1 (a) bis 1 (g) veranschaulichen den allgemeinen erfindungsgemäßen Prozeß und Fig. 2 (a) bis 2 (e) sowie 3 (a) bis 3 (f) veranschaulichen spezielle nicht erfindungsgemäße Prozesse entsprechend der Beschreibung in den nachfolgenden Beispielen.
Ausgangsbasis für den in Fig. 1 (a) bis 1 (g) veranschaulichten Prozeß ist ein isolierendes Substrat, 1 (siehe Fig. 1(a)). Dieses wird in der Regel, wie es auf dem Gebiet der Leiterplatten üblich ist, eine Platte aus verstärktem Kunststoffmaterial sein, wie beispielsweise ein Phenoloder Epoxydharz-Schichtstoff.
In Schritt (i) des Prozesses wird auf das isolierende Substrat, 1, eine Schicht, 2, eines strahlungshärtbaren Materials aufgetragen (siehe Fig. 1 (b)). Das strahlungshärtbare Material wird am einfachsten ein UV- härtbares Material sein und in diesem Zusammenhang einen Photosensibilisator oder Photoinitiator als einen Bestandteil enthalten. Derartige Katalysatoren sind auf dem Gebiet UV-härtbarer Zusammensetzungen bekannt und typische Beispiele sind Dimethoxyphenylacetophenon, Benzophenon und 4,4'-Bis(dimethylamin)benzophenon.
Die härtbare Komponente der hartbaren Zusammensetzung wird in der Regel ein ethylenisch ungesättigtes Material sein, insbesondere ein solches, das ethylenisch ungesättigte Endgruppen enthält. Es ist eine große Vielzahl von Materialien bekannt, die zur Verwendung in strahlungshärtbaren Zusammensetzungen vorgeschlagen wurden, wobei typische Beispiele Ester von ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren (normalerweise Acryl- oder Hethacrylsäure) und Ester von ethylenisch ungesättigten Alkoholen (wie beispielsweise Alkylalkohol) einschließen. Besonders geeignete ethylenisch ungesättigte Materialien sind polyethylenisch ungesättigte Materialien, die durch Reaktion von ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren mit gesättigten Materialien erhalten werden, die Gruppen enthalten, die mit den Carbonsäuren derartiger Säuren reaktionsfähig sind, insbesondere Epoxyharze, wie beispielsweise Epichiorhydrin/Bisphenol A-Epoxyharze oder Epoxy-Novolakharze. Zusätzlich zu der ethylenisch ungesättigten Komponente und dem UV-Photosensibilisator können die härtbaren Zusammensetzungen andere Bestandteile enthalten, wie beispielsweise sogenannten "Löt-Resists" oder Färbmittel, Füllmittel, usw. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung härtbarer Zusammensetzungen besonders bevorzugt, die relativ große Mengen inerter Füllmittel, insbesondere solche enthalten, wie sie beispielsweise in unserer GB-B-2032939 offenbart und mit der Handelsbezeichnung "Imagecure" vertrieben werden. Derartige Zusammensetzungen umfassen ungesättigtes Material, Photoinitiator und Füllmittel gemeinsam mit einem flüchtigen organischen Lösemittel, welches nach der Aufbringung auf ein Substrat unter Bildung eines weitgehend klebfreien Films von härtbarem Material abgedampft wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die härtbare Zusammensetzung mit wäßrigen alkalischen Systemen entwicklungsfähig (siehe die nachfolgende Diskussion), wobei in diesem Zusammenhang das ethylenisch ungesättigte Material geeigneterweise freie Carboxylgruppen enthält, um in wäßrigen alkalischen Lösungen Löslichkeit zu gewähren. Damit ist eine besonders bevorzugte Form des ethylenisch ungesättigten Materials zur Verwendung in der härtbaren Zusammensetzung ein Reaktionsprodukt einer ethylenisch ungesattigten Carbonsaure mit einem Epoxyharz, welches Reaktionsprodukt später durch Reaktion mit einem Anhydrid einer Dicarbonsaure zur Einfuhrung freier Carboxylgruppen in das resultierende Material modifiziert wird.
In Schritt (ii) des Prozesses wird das Substrat, 1, mit der Schicht des härtbaren Materials, 2, darauf entsprechend der schematischen Darstellung in Fig. 1 (c) der Zeichnungen an einer Strahlung (normalerweise iv-Strahlung) exponiert. Als Ergebnis dieser Bestrahlung werden Abschnitte, 52a, des an der Strahlung exponierten, härtbaren Materials gehärtet, während die nichtexponierten Abschnitte, 2b, ungehärtet bleiben. Es ist wichtig, daß das erhaltene gehärtete Material, 2a, stärker gehärtet oder vernetzt wird als das in dem nachfolgenden Schritt (vi) erhaltene Material, wobei dieses dadurch erzielt wird, daß in Schritt (ii) eine höhere Strahlungsdosis (z.B. eine längere Bestrahlungsdauer) angewendet wird als in dem nachfolgenden Schritt (vi). Der Grad der Härtung des Materials, 2a, kann auch dadurch erhöht werden, daß es z.B. bei Temperaturen von 100 bis 150ºC für eine Dauer von 15 bis 120 Minuten erhitzt wird.
In Schritt (iii) wird das bestrahlte härtbare Material "entwickelt", d.h. die nichtgehärteten Abschnitte, 2b, werden durch Auflösung mit einem entsprechenden Lösemittel entfernt. Geeignete Lösemittelsysteme umfassen für die vorgenannten bevorzugten alkalisch-entwicklungsfähigen Materialien wäßrige Lösungen, wie beispielsweise verdünnte Lösungen von Natriumhydroxid oder Natriumcarbonat. Andererseits können als Entwickler organische Lösemittel eingesetzt werden, wobei Beispiele derartiger geeigneter Lösemittel Glykolether, speziell Diethylenglykolmonobutylether; Ketoneoder aromatische Kohlenwasserstoffe umfassen.
In Schritt (iv) wird auf das Substrat, welches das gehärtete/entwickelte strahlungshärtbare Material aufweist, eine Schicht, 4, eines elektrisch leitfähigen Metalls aufgetragen, um entsprechend der Darstellung in Fig. i (d) der Zeichnungen eine Platine zu ergeben. Das Metall wird am einfachsten durch ein Verfahren zum Ausscheiden aus der Gasphase aufgetragen und kann geeigneterweise ein elektrisch leitfähiges Metall sein. Normalerweise wird Kupfer bevorzugt, jedoch können auch andere leitfähige Metalle eingesetzt werden, wie beispielsweise Aluminium, Silber, usw. Die Schicht, 4, kann ebenfalls mit Hilfe eines in der US-A-4422108 und 4874477 beschriebenen Prozesses gebildet werden, indem zunächst eine feine Schicht aus Kohlenstoffschwarz abgeschieden wird und darauf nachfolgend das gewünschte Metall elektrolytisch abgeschieden wird.
Die Schicht des elektrisch leitfähigen Materials, die in diesem Schritt aufgebracht wird, sollte in der Regel dünn sein, z.B. mit einer Dicke von 0.5 bis 10 Mikrometer, vorzugsweise 1 bis 5 Mikrometer. In den Schritten (v) und (vi) wird über die Oberfläche der Metallschicht, 4, eine weiteres strahlungshärtbares Material, 5, gegeben und dieses sodann entsprechend der schematischen Darstellung in Fig 1(e) bildpunktweise mit einem Zeichenmuster (Leiterbild) an Strahlung exponiert, das zu dem in Schritt (ii) verwendeten negativ ist. Als Ergebnis werden die bestrahlten Abschnitte dieser zweiten Schicht aus photohärtbarem Material gehärtet (jedoch in einem geringeren Umfang als die Abschnitte, 2a, des ursprünglich strahlungshärtbaren Materials) und die nichtbestrahlten Abschnitte nicht gehärtet.
In Schritt (vii) wird die Schicht, 5a, 5b, aus bestrahltem photohärtbaren Material in ähnlicher Weise entwickelt, wie im Zusammenhang mit Schritt (iii) bereits ausgeführt wurden. Die sich so ergebenden exponierten Abschnitte der Metallschicht, 4, d.h. solche ursprünglich unter nichtbestrahlten Abschnitten, 5a, der zweiten Schicht, 5, des photohärtbaren Materials, werden mit einem geeigneten Ätzmittel entfernt.
Als Folge wird eine Platine entsprechend der schematischen Darstellung in Fig. 1 (f) der Zeichnungen erhalten, die eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Metall lediglich auf solchen Abschnitten, Bahnen, zwischen der ursprünglich gebildeten und mit Leiterbild versehenen Schicht des gehärteten Materials, 2a, aufweist. Im letzten Schritt wird in die Abschnitte oder Bahnen zwischen den mit Leiterbildversehenen Teilen, 2a, und die ursprüngliche Schicht, 4, des elektrisch leitfähigen Materials bedeckend weiteres elektrisch leitfähiges Material , 4', eingeführt. Dieses zusätzliche Material kann das gleiche oder ein anderes Metall sein. als dasjenige. das die ursprüngliche dünne Schicht, 4, bildet. Die Schicht, 4', kann nach einem beliebigen geeigneten Verfahren zur Erzeugung einer Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials auf einer bereits vorhandenen und mit Leiterbild versehenen Schicht aus elektrisch leitfähigem Metall erzeugt werden, z.B. durch Elektroplattieren oder, mehr bevorzugt, durch stromfreies Plattieren. Zusammensetzungen und Verfahren, die zum Elektroplattieren oder stromfreien Abscheiden von elektrisch leitfähigen Metallen auf dünnen Schichten aus elektrisch leitfähigen Metallen geeignet sind, sind auf dem Gebiet der Leiterplatten gut bekannt und wurden beispielsweise beschrieben in "Printed Circuit Handbook". C.F. Coombs. 2. Ausg., McGraw-Hill. 1979.
Wie in Fig. 1(g) gezeigt, ist die Dicke der leitfähigen Schicht, 4', im wesentlichen die gleiche wie die der Schicht aus isolierendem Material, 2a, die aus dem ursprünglich strahlungshärtbarem Material gebildet wurde. Die Anwendung dieser Reihenfolge der Dicke erleichtert den Aufbau und die wiederholte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens von mehrschichtigen oder mehrlagigen Leiterplatten sehr, wobei jede nachfolgende Schicht durch Wiederholung der vorstehend im einzelnen beschriebenen Schritte (i) bis (x) gebildet wird. Die Verbindung zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten kann mühelos dadurch erzielt werden, daß die Bahnen, 4', des leitfähigen Materials in jeder Schicht in geeigneter Weise mit Leiterbild versehen werden, so daß, sofern erforderlich, eine der Leitungsbahnen eine Bahn in einer unmittelbar darunterliegenden Schicht kreuzt und diese verbindet.
Wahlweise können entsprechend der vorstehenden Ausführung zum Aufbau mehrlagiger Schichten unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens Zwischenschichten aus gehärtetem Material mit entsprechend angeordneten Durchführungslöschern verwendet werden.
Die nachfolgenden Beispiele, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung sind, dienen lediglich zur Veranschaulichung.
In den Beispielen wird Bezug genommen auf die Figuren 2 (a) bis 2 (e) und 3 (a) bis 3 (f) der Zeichnungen. In allen Figuren bezeichnen die Zahlen 1 einen isolierenden Schichtstoff, die Zahl 4 Kupfer und die Zahl 2a gehärtetes Resist-Material.

BEISPIEL 1

Es wurde eine ebene Schichtstoffplatte SR4 mit Imagecure XV 501 mit einer Trockenfilmdicke von 25 Mikrometern beschichtet. Die Platte wurden bildpunktweise durch eine Leiterbildmaske so exponiert, daß der Resist über dem als Leiterbild aufgebrachten angestrebten Schaltkreis unbeeinträchtigt blieb. Die Platte wurde sodann in 0.6-gewichtsprozentiger Natriumcarbonatlösung (Fig. 2 (a)) entwickelt und die zurückbleibende Resistschicht sodann vollständig ausgeheizt und einer UV-Härtung unterzogen. Sodann wurde die Platte mit Hilfe eines Plasmas geätzt und erhielt durch Vakuumsputtern (Fig. 2 (b)) eine Gesamtdeckschicht aus metallischem Kupfer einer Dicke von 1 Mikrometer. Sodann wurde über der Metalloberfläche eine weitere Resistschicht abgeschieden und durch die zur Abbildung der vorangegangenen Schicht verwendeten Maske belichtet und wie zuvor entwickelt (Fig. 2 (c)). Sodann wurde die Platte durch Elektroplattieren mit Leiterbild versehen und der Resist unter Verwendung einer 3-gewichtsprozentigen Lösung Natriumhydroxid (Fig. 2 (d)) abgezogen. Die durch Vakuumabscheidung aufgebrachte Kupferschicht, die jedoch nicht durch Elektroplattieren aufgebaut wurde, wurde sodann unter Verwendung einer sauren Lösung Eisen(III)-chlorid einer Schnellätzung unterzogen.

BEISPIEL 2

Es wurde die Prozedur von Beispiel 1 bis zu dem in Fig. 1 (b) gezeigten Schritt wiederholt. Sodann wurde über der Oberfläche der dünnen Kupferschicht durch Elektroplattieren eine Kupferschicht (20 Mikrometer) aufgebracht (Fig. 2 (a)). Sodann wurde auf der Platte eine Schicht aus Imagecure XV 501 (etwa 25 Mikrometer Trockendicke) abgeschieden und durch eine Maske belichtet, die zu der bei der Erzeugung der ersten Resistschicht verwendeten Maske negativ war. Diese Schicht wurde wie zuvor (Fig. 2 (b)) entwickelt und das durch diesen Prozeß exponierte Kupfer unter Verwendung von saurem Eisen(III)-chlorid als Ätzmittel (Fig. 2 (c)) weggeätzt. Sodann wurde der über den Kupferbahnen zurückbleibende Resist unter Verwendung einer 3%igen Lösung Natriumhydroxid (Fig. 2 (d)) abgezogen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer mit Leiterbild eines elektrisch leitfähigen Metalls versehenen Isolierschicht auf einem Substrat, umfassend die Schritte der Erzeugung einer mit Leiterbild versehenen Reliefschicht eines elektrisch isolierenden Resist-Materials auf dem Substrat mit Hilfe eines Photo-Auflösungsprozesses, umfassend die Schritte:

(i) Aufbringen einer Schicht eines strahlungshärtbaren Materials (2) auf das Substrat (1);

(ii) bildpunktweises Exponieren der Schicht des strahlungshärtbaren Materials an Strahlung, um dadurch Abschnitte (2a) der an einer solchen Strahlung exponierten Schicht zu härten; und

(iii) Entfernen der Abschnitte der nicht durch Strahlung exponierten Schicht (2b) mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels. um dadurch auf dem Substrat eine mit Leiterbild versehene Schicht von gehärtetem strahlungshärtbarem Material (2a) zu erzeugen: sowie

nachfolgendes Einführen von elektrisch leitfähigem Metall in die Vertiefungen (Bahnen) in der mit Leiterbild versehenen Reliefschicht; bei welchem Verfahren das Metall in die Bahnen mit Hilfe der folgenden Schritte eingeführt wird:

(iv) Aufbringen einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Metall (4) über der Oberfläche des Substrats und des in Schritt (iii) des Photo-Auflösungsprozesses erhaltenen, mit Leiterbild versehenen und gehärteten Reliefmaterials; welche Methode gekennzeichnet ist durch die Schritte:

(v) Aufbringen einer Schicht (5a. 5b) eines strahlungshärtbaren Materials (5) über der Oberfläche der in Schritt (iv) abgeschiedenen Metallschicht;

(vi) bildpunktweises Exponieren der Schicht des strahlungshärtbaren Materials an Strahlung in einem zu dem in Schritt (11) des Photo-Auflösungsprozesses negativen Leiterbildes, um dadurch Abschnitte (5b) des an einer solchen Strahlung exponierten strahlungshärtbaren Materials zu härten, jedoch in einem geringeren Maß als das mit Leiterbild versehene gehärtete Material (2a), das bereits auf dem Substrat vorhanden ist:

(vii) Entfernen der nichtexponierten Abschnitte (5a) des strahlungshärtbaren Materials mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels, um die in Schritt (iv) erhaltenen Abschnitte der Metallschicht (4) zu exponieren:

(viii) Entfernen der Abschnitte des in Schritt (vii) exponierten Metalls, mit Hilfe eines geeigneten Ätzmittels;

(ix) Entfernen des in Schritt (vi) erhaltenen gehärteten Materials (5b), um dadurch andere Abschnitte des in Schritt (iv) abgeschiedenen Metalls zu exponieren: sowie

(x) Abscheiden von zusätzlichem. elektrisch leitfähigemMetall (4') auf den mit Leiterbild versehenen Metallabschnitten, die in Schritt (ix) exponiert wurden.