DE69207996T2 - Semi-additive elektrische Schaltungen mit erhöhten Einzelheiten unter Verwendung geformter Matrizen - Google Patents
Semi-additive elektrische Schaltungen mit erhöhten Einzelheiten unter Verwendung geformter MatrizenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von elektrischen Schaltungen und beschäftigt sich genauer mit der Herstellung von Schaltungen, wobei Formkerne und semi-additive Verfahren verwendet werden, um Schaltungen mit reliefartigen Elementen herzustellen.
- Das Dokument US-A-3 350 250 offenbart ein Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltkreise mit vorstehenden elektrischen Leitern, die sich durch das Substrat erstrecken und darüber vorstehen. Die vorstehenden Leiter werden erzeugt, indem elektrisch leitendes Material auf eine nicht rostende Platte abgelagert wird, die Ausstülpungen oder kegelstumpfartige Löcher aufweist.
- In einer früheren Anmeldung von William R. Crumly, Christopher M. Schreiber und Haim Feigenbaum auf eine dreidimensionale, elektrogeformte Schaltung, auf die das Patent US-A-5 197 184 (nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht) erteilt wurde, das auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, sind Techniken beschrieben, um elektrische Schaltungen mit integralen profilierten Elementen vollständig additiv auszubilden. Die in der früheren Anmeldung beschriebenen Verfahren umfassen allgemein die Verwendung eines aus rostfreiem Stahl gefertigten Formkernes, in dem es ausgebildete, reliefartige Elemente gibt, die von der Oberfläche des Formkernes abstehen, und zwar entweder in den Formkern hinein oder über die Oberfläche des Formkernes vorstehend. In der Oberfläche des Formkernes wird ein Muster von Rillen in der Form eines Negatives der zu fertigenden Schaltung ausgebildet und mit Teflon oder einem anderen nichtleitenden Material gefüllt, woraufhin dann das gewünschte Muster von Schaltungsbahnen durch galvanische Metallabscheidung (Elektrodenposition) auf die Oberfläche des Formkernes zwischen die Bereiche aus Teflon und in die Vertiefungen oder über die Erhebung des dreidimensionalen Elementes des Formkernes ausgebildet wird. Die Verwendung von Teflon, das in Rillen innerhalb des Formkernes eingebettet ist, um die Schaltungsbahnen zu definieren, begrenzt die minimale Größe der Schaltungsbahnen, die ausgebildet werden können, weil in dem Moment, in dem die Schaltungsbahn additiv z.B. durch Galvanisieren ausgebildet wird, ein abgelagertes Material sich seitlich zu beiden Seiten zur selben Zeit ablagert, wie es sich vertikal oben auf der Oberfläche ablagert. Um z.B. eine Bahn mit einer Dicke von 1 Mil und einer Breite von 5 Mil zu erhalten, darf folglich die Linienbreite des leitenden Musters auf dem Formkern in der Breite nicht mehr als 2 Mil betragen, weil die Ablagerung in einer Dicke von 1 Mil ebenfalls zu einer Ablagerung außerhalb an beiden Seiten von 1 Mil führt (1 Mil = 25,4 µm). Die Fertigung von Schaltungsbahnen mit sehr feinen Leitungen ist folglich begrenzt.
- Wenn das Muster aus Teflon anstatt in Rillen auf die Oberfläche des aus nicht rostendem Stahl gefertigten Formkernes abgelagert wird, können Schaltungsbahnen mit feineren Elementen und Breiten erreicht werden, womit jedoch Schwierigkeiten bei der Behandlung der Oberfläche des Formkernes verbunden sind, damit eine zufriedenstellende Anhaftung des Teflon an die Oberfläche des Formkernes aus nicht rostendem Stahl erreicht wird.
- Die in der oben erwähnten Patentanmeldung beschriebenen, vollständig additiven Techniken haben viele Vorteile. Nachdem der Formkern gefertigt wurde, müssen keine weiteren Druck- oder Photoarbeiten durchgeführt wird. Die Ausrichtung der reliefartigen Elemente bezogen auf die Schaltungsbahnen ist abgeschlossen, und es gibt keine späteren Probleme bei der Lagegenauigkeit. Darüber hinaus gibt es keine weiteren photolithographischen Verfahrensschritte und ein Großteil der manuellen Arbeit bei der Verwendung der vervollständigten Formkerne zur Herstellung von Schaltungen ist beseitigt worden. Dennoch ist der Formkern selbst relativ komplex sowie teuer und zeitraubend herzustellen, so daß er seine maximale Nützlichkeit in relativ langen Serienproduktionen findet, wo eine schnelle Herstellung des ersten Prototyps und von ersten Fertigungsmustern keine Rolle spielt. Folglich ist der vollständig additive Formkern zur Herstellung von Schaltungen mit reliefartigen Elementen für lange Produktionsserien am nützlichsten, wo die Zeit der anfänglichen Fertigung weniger wichtig ist, wobei solche Formkerne jedoch nicht so einfach für die Fertigung kleiner Mengen von Schaltungen mit reliefartigen Elementen verwendbar sind, wo der erste Prototyp in kurzer Zeit verfügbar sein muß.
- Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für die Herstellung von elektrischen Schaltungen mit reliefartigen Elementen oder Merkmalen durch Verfahren zu sorgen, die die oben erwähnten Probleme vermeiden oder minimieren.
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen elektrischen Schaltung mit reliefartigen Elementen bereitgestellt, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 8 definiert sind.
- Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein wiederverwendbarer Formkern zur Ausbildung einer mehrlagigen elektrischen Schaltung mit reliefartigen Elementen bereitgestellt, wie er in Anspruch 5 definiert ist.
- Bei der Ausführung von Prinzipien der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein einfacher, leichter hergestellter Formkern verwendet, wobei semi-additive und nicht völlig additive Techniken im Zusammenhang mit dem Formkern verwendet werden, um die Schaltung mit ihren reliefartigen Elementen herzustellen. Der elektrisch leitende Formkern wird mit einem Muster von Grübchen oder Vertiefungen versehen und dann mit einem sehr dünnen Überzug eines elektrisch leitenden Materials beschichtet. Danach wird ein Muster einer Schutzschicht auf der Beschichtung ausgebildet, woraufhin die Schaltungsbahnen durch elektrisches Abscheiden auf dem Formkern ausgebildet werden, während zur gleichen Zeit die reliefartigen Elemente in den Vertiefungen des Fornkernes ausgebildet werden. Nach dem Entfernen der Schutzschicht werden eine dielektrische sowie eine Klebstoffschicht mit der elektrisch abgeschiedenen Schaltung und den elektrisch abgeschiedenen, reliefartigen Elementen verbunden, woraufhin die schichtartige Verbindung des Dielektrikums und der Schaltung mit den reliefartigen Elementen von dem Formkern entfernt werden kann und soweit fertig ist, daß die Beschichtung entfernt und Abdeckschichten aufgebracht werden können.
- In der beigefügten Zeichnung zeigen:
- Fig. 1 bis 9 mehrere Schritte bei der Fertigung einer mehrlagigen Schaltung unter Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
- Gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird ein verbesserter Formkern verwendet, der schnell hergestellt werden kann und keine dauerhaft befestigten Muster aus Teflon oder andere nichtleitende Muster erfordert. Der Formkern ist folglich einfacher und schneller herzustellen und darüber hinaus auch dauerhafter.
- Wie in Fig. 1 dargestellt, bildet eine rostfreie Stahlplatte 10 einen Formkern mit einer formenden Oberfläche 11, in der eine oder mehrere Vertiefungen oder Grübchen 12 vorgesehen sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, die reliefartige oder erhabene Elemente der sich ergebenden Schaltung definieren werden.
- Wie in Fig. 3 gezeigt, werden der Formkern und seine Vertiefung oder seine Vertiefungen dann mit einer Kupferbeschichtung 14 überzogen, was typischerweise als Anschlaggalvanisierung bezeichnet wird, die die gesamte Oberfläche des Formkernes einschließlich der Oberfläche der Vertiefung bedeckt. Das anschlaggalvanisierte Kupfer wird durch Galvanisieren oder andere bekannte Techniken aufgebracht und liefert eine dünne, leitende Beschichtung, die verhindert, daß der Klebstoff (wird verwendet, um das Schaltungssubstrat aufzubringen) an der Oberfläche des Formkernes anklebt. Anschlaggalvanisieren ist ein übliches, elektrolytisches Abscheiden, das in einem sehr kurzen oder augenblicklichen Verfahrensschritt durchgeführt wird, so daß nur eine sehr dünne Ablagerungsschicht erzeugt wird. Die durch "blitzschnelles Plattieren" erzeugte Schicht ist verglichen mit der Dicke der gefertigten elektrischen Schaltungsbahnen sehr dünn. Für eine Schaltungsbahn mit einer Dicke von 1,5 Mil weist eine Anschlaggalvanisierung von Kupfer auf dem Formkern z.B. eine Dicke von 0,01 bis 0,2 Mil (1 Mil = 25,4 µm) auf. Die dünne Anschlaggalvanisierung wird verwendet, weil sie relativ einfach von dem Formkern aus rostfreiem Stahl abgelöst werden kann und darüber hinaus leicht von der geschichteten Struktur entfernt werden kann, nachdem diese von dem Formkern durch einen blitzartigen Ätzvorgang getrennt wurde, was ein sehr kurzzeitiges oder augenblickliches Ätzverfahren ist. Anstelle der elektrolytischen Anschlaggalvanisierung können selbstverständlich andere Verfahren zum Beschichten des Formkernes mit einem sehr dünnen Überzug eines leitenden Materials verwendet werden, das leicht von dem Formkern trennbar ist und leicht von den vervollständigten Schaltungsbahnen entfernt werden kann. Derartige Verfahren können Kathodenzerstäubungen, Beschichten aus der Dampfphase sowie stromloses Ablagern beinhalten. Wenn es für notwendig oder wünschenswert gehalten wird, kann der Formkern aus einem elektrisch nichtleitenden Material gefertigt werden, weil die dünne, elektrisch leitende Beschichtung selbst das additive Galvanisieren der Schaltungsbahnen und reliefartigen Elemente ermöglicht. Für einen dielektrischen Formkern kann die Beschichtung durch stromloses Ablagern, Kathodenzerstäuben oder mittels zusätzlicher leitender Partikel in der Lösung aufgebracht werden. Ein Muster aus einem nichtleitenden Material, wie z.B. aus Teflon, wird nicht permanent an dem Formkern befestigt. Statt dessen wird das anschlaggalvanisierte Kupfer mit einem Photolack bezogen, der dann optisch durch eine ein Muster der gewünschten Schaltung definierende Maske belichtet und entwickelt wird. Der Photolack, der nicht polymerisiert wurde, wird dann entfernt, um die teilweise komplettierte Anordnung in der in Fig. 4 dargestellten Konfiguration zu hinterlassen. Wie dargestellt, trägt die anschlaggalvanisierte Kupferbeschichtung 14 nun ein Muster 16 aus Photolack, das das negative Muster zu dem mit diesem Formkern zu fertigenden Muster von Schaltungsbahnen ist.
- Die Formkernanordnung aus Fig. 4 wird dann einem geeigneten additiven Prozeß der elektrischen Abscheidung unterzogen, so wie z.B. einem Galvanisieren, um Kupferbahnen einschließlich einer Bahn 18 und einem reliefartigen Element in Form eines Kontaktes 20 abzulagern, zu dem ein reliefartiges Element 24 in der Vertiefung 12 zählt, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Kupferbahnen werden direkt auf den Bereichen der anschlaggalvanisierten Kupferbeschichtung 14 abgelagert, die nicht durch das negative Muster des entwickelten Photolackes 16 bedeckt sind. Der Ablagerungsvorgang bildet folglich sowohl die Schaltungsbahnen als auch die reliefartigen Elemente aus. Die reliefartigen Elemente 24 sind teilweise hohl, sie weisen eine Vertiefung 29 auf (Fig. 5). Wenn es für nötig oder wünschenswert gehalten wird, kann die in dem galvanisierten, reliefartigen Element 24 ausgebildete Vertiefung 29 mit einem festen Material 30 (Fig. 6) gefüllt werden, indem in die Vertiefung ein Tropfen Epoxy gegeben wird, das man dann aushärten läßt.
- Der Photolack 16 wird dann abgezogen, um die Schaltungsbahnen sowie reliefartigen Elemente 18, 20 und 24 auf der anschlaggalvanisierten Kupferbeschichtung zu belassen, die sich noch auf dem Formkern befindet, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Nun wird eine Schicht eines geeigneten Dielektrikums und Klebers, wie z.B. eine Schicht 26 aus Kapton sowie einem Kleber schichtartig auf die Formkernanordnung mit den darauf befindlichen Bahnen und Schaltungselementen unter geeignet hohen Temperaturen und Drücken aufgebracht. Dies bewirkt, daß die Kapton- und Kleber-Schicht in die Räume und Lücken zwischen den Bahnen fließt und dadurch die Bahnen und Kontakte auf drei Seiten kontaktiert. Nur die Seite der Bahnen und Kontakte, die direkt in Kontakt mit dem anschlaggalvanisierten Kupfer auf dem Formkern ist, wird nicht durch das Substrat 26 aus Klebstoff/Kapton kontaktiert.
- Die Anordnung sieht nun so aus wie es in Fig. 7 gezeigt ist, wo der Formkern 10, das anschlaggalvanisierte Kupfer 14, Bahnen, Kontakte sowie Elemente 18, 20 und 24 und das Kapton/Kleber-Substrat 26 zu sehen sind.
- Die Schaltungsanordnung aus Fig. 7 wird dann von dem Formkern entfernt. Da nur das anschlaggalvanisierte Kupfer den Formkern kontaktiert, kann dieses leicht entfernt werden, wobei kein Klebstoff des Substrates 26 sich in Kontakt mit dem Formkern befindet. Man sieht also, daß die Anordnung aus Dielektrikum/Klebstoff-Substrat sowie Schaltungsbahnen und reliefartigen Elementen leicht zusammen mit der anschlaggalvanisierten Kupferbeschichtung von dem Formkern getrennt werden kann, weil der Formkern anfänglich mit der Schutzschicht des anschlaggalvanisierten Kupfers 14 beschichtet wurde. Diese getrennte Unteranordnung ist in Fig. 8 als von dem Formkern entfernt gezeigt.
- Wie in Fig. 9 angedeutet, wird die anschlagplattierte Kupferbeschichtung, die die gesamte untere (wie in Fig. 8 zu sehen) Fläche der Anordnung aus Fig. 8 bedeckt, durch ein Blitzätzverfahren entfernt, um zu der endgültigen oder im wesentlichen endgültigen Unteranordnung aus Fig. 9 zu gelangen. Die Unteranordnung aus Fig. 9 ist jetzt bereit für die Aufbringung einer Deckschicht, was das Standardverfahren zum Abdecken wenigstens der die leitenden Bahnen tragenden Seite der Unteranordnung mit einer isolierenden Deckschicht umfaßt.
- Falls es für notwendig oder wünschenswert gehalten wird, kann das Entfernen der anschlaggalvanisierten Kupferbeschichtung durch eine "Stop"-Schicht aus Gold kontrolliert werden, die die dickere Kupferschaltung während der Entfernung des anschlaggalvanisierten Kupfers durch Blitzätzen schützt. Zu diesem Zweck kann der anschlaggalvanisierte Formkern, auf dem sein photolithographisch definiertes Lackmuster 16 bereits angeordnet ist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, mit einer dünnen Schicht aus Gold, die ungefähr 0,00006 Inch dick ist, beschichtet werden, auf die dann die Schaltung 18 und 20 abgelagert wird (1 Inch = 25,4 mm). Diese gemusterte "Stop"-Schicht aus Gold ermöglicht es, daß das anschlagplattierte Kupfer durch das Blitzätzen von dem Dielektrikum entfernt wird, wobei aber die Kupferschaltung geschützt wird.
- Die oben beschriebenen, semi-additiven Verfahren zur Herstellung einer Schaltung mit reliefartigen Elementen haben gegenüber den in der oben angegebenen parallelen Anmeldung beschriebenen vollständig additiven Verfahren viele Vorteile. Die Herstellung des anschlagplattierten Formkernes ist viel einfacher, preiswerter und merklich schneller, da keine komplizierten Verfahren durchgeführt werden müssen, um eine dauerhafte Beschichtung aus Teflon oder einem anderen nichtleitenden Material auf dem Formkern anzuordnen. Folglich können derartige Formkerne leicht in verschiedenen Konfigurationen zur Fertigung von Schaltungsbahnen mit verschiedenen Mustern hergestellt werden. Die vereinfachte Herstellung des Formkernes führt zu einer schnelleren Verfügbarkeit des Formkernes für die Herstellung der Schaltung, so daß ein zur Verwendung in den hier beschriebenen semi-additiven Verfahren hergestellter Formkern an einem Tag hergestellt werden kann und am nächsten Tag zur Fertigung von Teilen zur Verfügung steht, während Teile nicht annähernd so schnell von einem Formkern zur Verfügung stehen, der in Übereinstimmung mit den vollständig additiven Techniken hergestellt wird, die in der oben genannten Anmeldung beschrieben sind. Wegen der Einfachheit und der geringeren Herstellungskosten des anschlagplattierten Formkernes ist dieser darüber hinaus merklich preiswerter und vom ökonomischen Standpunkt aus zur Verwendung in kleinen Serienproduktionen geeignet.
- Es ist zu erkennen, daß das hier beschriebene Verfahren zur Herstellung einer Schaltung einen unempfindlicheren, einfacheren Formkern zum Galvanisieren verwendet, aber dennoch primär additive Techniken, wie Galvanisieren einsetzt, um Schaltungsmuster und integrale reliefartige Elemente zu erzeugen.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen elektrischen
Schaltung mit reliefartigen Elementen (24), mit den
Schritten:
- Ausbilden eines wiederverwendbaren Formkernes, in
dem sich wenigstens eine Vertiefung (12) befindet,
- Beschichten des Formkernes und der Vertiefung (12)
mit einem elektrisch leitenden Material (14), derart,
daß die Beschichtung (14) leicht von dem Formkern
und der Vertiefung (12) trennbar ist,
- additives Ausbilden von einem Muster von
Schaltungsbahnen (18, 20) auf der Beschichtung (14) und in der
Vertiefung (12), wobei dieser Schritt das Ausbilden
eines reliefartigen Elementes (24) umfaßt, das von
der Ebene der Schaltungsbahnen (18, 20) absteht,
- Aufbringen eines dielektrischen Substrates (26) auf
die Bahnen (18, 20) und die Vertiefung (12), wobei
die Beschichtung (14) es verhindert, daß das Substrat
(26) an dem Formkern anhaftet, und
- Entfernen der Bahnen (18, 20) und des Substrates (26)
sowie der Beschichtung (14) von dem Formkern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des additiven Ausbildens von einem Muster von
Schaltungsbahnen (18, 20) die Schritte des Auftragens eines
Musters aus einer Schutzabdeckung (16) auf die Beschichtung
(14) und des elektrischen Abscheidens von leitfähigem
Material (18) auf den Formkern und die Beschichtung (14)
zwischen Elemente des Musters der Schutzabdeckung umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schritt der Beschichtung des Formkernes
eine Anschlaggalvanisierung umfaßt, wobei der Schritt der
additiven Ausbildung ein elektrisches Abscheiden beinhaltet,
und den Schritt des Entfernens der Beschichtung (14) umfaßt,
nachdem die Bahnen (18, 20) und das Substrat (26) von dem
Formkern entfernt wurden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet
durch den Schritt des Auftragens einer Stopschicht auf
das Muster von Schaltungsbahnen (18, 20), um die
Schaltungsbahnen (18, 20) während des Schrittes des Entfernens der
Beschichtung (14) zu schützen.
5. Wiederverwendbarer Formkern zur Ausbildung einer ein
reliefartiges Element (24) aufweisenden mehrlagigen
elektrischen Schaltung durch galvanische Metallabscheidung,
mit:
- einem Körper (10) mit einer formenden Oberfläche (11),
- einer Vertiefung (12) in der Oberfläche (11), wobei
die Vertiefung so ausgebildet und angeordnet ist,
daß sie ein reliefartiges Element (24) einer auf dem
Formkern auszubildenden Schaltung bildet,
gekennzeichnet durch eine elektrisch leitende Beschichtung
(14) auf der formenden Oberfläche (11) und in der Vertiefung
(12), wobei die Beschichtung (14) leicht von der Oberfläche
(11) trennbar ist.
6. Formkern nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Muster
aus nichtleitendem Material (14), das auf der Beschichtung
(14) ausgebildet ist.
7. Formkern nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Muster
von Photoresist (16) auf der Beschichtung (14), wobei der
Photoresist (16) ein Muster aufweist, das das Negativ eines
Musters von Schaltungsbahnen (18, 20) ist, wobei galvanisch
ein Muster von Schaltungsbahnen (18, 20) mit einem sich
in die Vertiefung (12) erstreckenden Bereich auf der
Beschichtung (14) abgeschieden und mittels eines Klebers,
der die formende Oberfläche (11) nicht berührt, mit einem
nichtleitenden Substrat (26) verbunden werden kann.
8. Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen elektrischen
Schaltung mit reliefartigen Elementen (24), mit den
Schritten:
- Ausbilden eines wiederverwendbaren Formkernes mit
einer formenden Oberfläche (11) und einem
Formkernelement (12) für das reliefartige Element,
- Auftragen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung
(14) auf die Oberfläche (11) und das Element (12),
so daß die Beschichtung (14) leicht von dem Formkern
und dem Element (12) trennbar ist,
- additives Ausbilden von einem Muster von
Schaltungsbahnen (18, 20) auf der Beschichtung (14),
- additives Ablagern eines reliefartigen Elementes (24)
aus leitfähigem Material auf dem Formkernelement (12),
- anhaftendes Anbringen eines Substrates (26) auf den
Schaltungsbahnen (18, 20) und dem reliefartigen
Element (24) aus leitfähigem Material, wobei die
Beschichtung (14) es verhindert, daß das Substrat
(26) an dem Formkern anhaftet,
- Entfernen des Substrates (26), der Schaltungsbahnen
(18, 20), des reliefartigen Elementes (24) aus
leitfähigem Material und der Beschichtung (14) von
dem Formkern, und
- Entfernen der Beschichtung (14) von den
Schaltungsbahnen (18, 20), dem reliefartigen Element (24) aus
leitfähigem Material und dem Substrat (26).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Formkern eine Vertiefung (12) umfaßt, die so geformt
ist, daß sie das reliefartige Element (24) aus leitfähigem
Material formt, wobei der Schritt des Auftragens einer
Beschichtung (14) das Auftragen der Beschichtung (14) in
die Vertiefung (12) umfaßt, und wobei der Schritt des
Ausbildens eines Musters von Schaltungsbahnen (18, 20)
das Ausbildens eines Teiles der Bahnen (18, 20) in der
Vertiefung (12) umfaßt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des Ausbildens von einem Muster von Bahnen
(18, 20) die galvanische Abscheidung eines Musters aus
leitfähigem Material auf der Beschichtung (14) umfaßt.
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