DE9107163U1 - Fotomaske zur Herstellung von Leiterbahnen auf einer nicht ebenen drei-dimensional geformten Oberfläche - Google Patents

Fotomaske zur Herstellung von Leiterbahnen auf einer nicht ebenen drei-dimensional geformten Oberfläche

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Description

Beschreibung.
Fotomaske zur Herstellung Von Leiterbahnen auf einer nicht ebenen, 3-dimensionalgefonnten Oberfläche
Stand der Technik
Planare Leiterbahnlayouts werden für gedruckte Schaltungen durch UV/VlS-Belichtung unter Zuhilfenahme von bedruckten planaren Kunststoffolien oder geätzten, bedampften Glasplatten auf einen photosensiblen Resist, der die Leiterplatte umschließt, übertragen.
Das Leiterbahnmuster wird gewöhnlich mit Hilfe des Sieb- oder Photodrucks auf eine Trägerfolie aufgebracht. Die Positivoder Negativdrucke des Leiterbahn-Layouts erlauben es, kupferkaschierte Leiterplatten in der Voll-, Additiv-, Semiadditiv- und Subtraktivtechnik zu strukturieren und, somit die Leiterbahnen zu erstellen.
Das Aufbringen des Leiterbahn-Layouts über Siebdruckschablonen kann auch direkt auf der kupferkaschierten Leiterplatte erfolgen. Bei der Photodruckmethode wird das Layout über einen Laserscanner auf die lichtempfindliche Schicht (Diazofilm) der Photofilmmaske übertragen.
Zwischen der Maske und der photoresist-beschichteten, kupferkaschierten Leiterplatte besteht während der Belichtungszeit ein geringer Abstand, der durch Druckabfall erzeugt wird. Diese Übertragungstechniken eines planaren Schaltlayouts auf kupferkaschierte Epoxid- oder Phenolharzsubstrate ist heutzutage eine optimierte Prozeßtechnologie, die zur Herstellung von Leiterplatten dient.
Problem
Spritzgegossene Leiterplatten zeichnen sich jedoch durch die Möglichkeit aus, daß der Schaltlayout der Oberflächengestaltung des Formkörpers nachfolgen kann.
Das Schaltlayout kann auf unterschiedlichen Ebenen des Formkörpers liegen, oder Schrägen, Rampen, senkrechten Wänden oder Krümmungen der Oberfläche nachfolgen. So ein gestaltetes 3D-Layout auf der Substratoberfläche kann mit planaren Folien nicht mehr mit der erforderten Präzision hergestellt werden.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugunde, eine 3D-geformte Fotomaske in einem wirtschaftlichen Verfahren herzustellen, die es ermöglicht, Leiterbahnmuster auf der Oberfläche des elektrisch isolierenden Substrates (Leiterformkörper) aufzubringen. Das Leiterbahnmuster beinhaltet auch die Oberfläche von durchkontaktierten Löchern.
- 3 Erfindung
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Die Vorteile der Erfindung werden an Hand nachfolgender Beschreibung dargestellt:
1. Eine transparente Kunststoffolie (Schichtdicke 50 - 1000 mikron) wird über die Oberfläche eines dem Originalkörper entsprechendem Werkzeuges (Stahl, Aluminium, Kunststoff oder Holz) tiefgezogen. Die Arbeitstemperatur des Folientiefzieh-Prozesses sowie die Schichtdicke der Folie haben einen entscheidenen Einfluß auf die Paßgenauigkeit der Folie zum Leiterform-Körpersubstrat. Hierbei ist entscheidend, daß die Folie besonders im Bereich des Schaltlayouts optimal die Formgestaltung der Originaloberfläche wiedergibt.
Desweiteren muß das Werkzeug transparent für die Wellenlänge des Belichtungsinstrumentes sein. Üblicherweise liegt die Wellenlänge im UV/VIS-Bereich zwischen 220 und 400 nm.
Thermoplastische Kunststoffe, die diesen Anforderungen genügen, sind z. B. Polysulfone, Polyimide, Polyethersulfone, Polyetherimide, amorphes PA, PVC, Polycarbonate. Besonders Polyester und Polycarbonatfolien lassen sich für diese Erfindung gut nutzen.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der NC-gesteuerten Fräßtechnik zur Herstellung von diesen 3D-Masken aus den oben beschriebenen Kunststoff-Werkstoffen. Auch Glasmasken wären so herzustellen, wobei der Aufwand jedoch sehr hoch ist.
2. Die so der Originalsubstrat-Oberfläche angepaßten 3D-Masken können den Leiterformkörper zweiteilig, dreiteilig usw. umhüllen.
3. Jeweils eine der beiden großflächigen Oberflächen der 3D-Maske wird nun mit einer gleichförmigen Schichtdicke eines laserverdampfbaren Lackes überzogen. Hierbei eignet sich besonders das Auftragen des Lackes mittels Sprühpistolen oder elektrostatischen Arbeitstechniken. Ebenfalls positiv zeichnet sich das Aufbringen des Lackes auf der dem Schaltformkörper zugewandten Seite der 3D-Maske- aus, da es bei -dieser Arbeitsweise kaum Streuverluste gibt, da die Energie des Laserstrahles nicht vom Maskenmaterial absorbiert oder gestreut wird, und somit die Streuung an den Lackpartikeln direkt am Photoresist erfolgt.
4. Die Maske sollte möglichst mit Vakuum in engen Kontakt zur Leiterformkörper-Oberfläche gebracht werden, um eine hohe Genauigkeit bei der Belichtung zu erzielen. Bei Verwendung von parallelem Licht als Belichtungsquelle (z. B. defokusierter Exciraerlaser) muß ein direkter Kontakt nicht gewährleistet sein.
5. Die einseitig lackbeschichtete Oberfläche der 3D-Maske wird unter Zuhilfenahme eines Nd-YAG Lasers (&lgr;) = 1.064 oder 522 nm) bearbeitet. Die Bearbeitung kann als defokusierter Strahl (Flash-Belichtung), als Scanner oder direkt als Positiv- oder Negativ-Layout erfolgen.
Die Energie des Laserstrahls verdampft die Lackpartikel und erzeugt somit bearbeitete transparente Flächen und nicht bearbeitete lichtundurchlässige Flächen. Die Steuerung des Laserstrahles erfolgt durch Impulse aus dem 3D-Konstruktionsprogramm CAD, wobei das 3D-Layout über Gerber oder HPGL-Programme auf die Oberfläche des Leiterformkörpers projeziert wird. Die Impulse (Signale) steuern sogenannte Galvanometerspiegel, die den Laserstrahl in X- und Y-Achse ablenken.
Die Z-Achse wird durch den Fokusierungsbereich des Laserstrahls festgelegt. Der optimale Fokusierungspunkt kann durch eine Bewegung des Leiterformkörpers entlang der Z-Achse erreicht werden. Diese Bewegung kann durch einen Mehrachsenrobot durchgeführt werden. Eine elegantere Lösung des Strukturierungsproblems wird wie folgt erreicht:
Der Laserstrahl wird in eine Glasfaser eingespeist. Am Ende der Glasfaser wird die Fokusierung des Laserstrahles durch eine Optik erreicht. Ein Mehrachsenrobot bewegt die Glasfaser mit Optik über die beschichtete 3D-Maskenoberflache. Die transparenten Flächen auf der Maske entstehen, wenn der Laserstrahl im Fokuspunkt die Energie auf den Lack überträgt. Auch bei dieser Technik kann man direkt das Layout abfahren und den Lack verdampfen oder in Scanner-Arbeitsweise die Oberfläche komplett abtasten.
Außer Nd-YAG-Lasern können auch Ionenlaser (z. B. Argon^-Laser; A= 363.8, 433 oder 512 nm) , Gaslaser (&zgr;. &Bgr;. CO -Laser; &lgr;= 10.600 nm) oder Excimerlaser im UV-Bereich eingesetzt werden. Idealerweise sollte der Laserstrahl nicht mit dem Material wechselwirken. Die Energie des CO -Lasers reicht z. B. aus, um Polycarbonatfolien chemisch zu zersetzen.
6. Die so strukturierte mehrteilige 3D-Maske wird um das beschichtete 3D-Leiterformteil gehüllt.
7. Die Beschichtung des Kunststoff-3D-Leiterformkörpers erfolgt wie folgt:
a) Ganzflächige Metallisierung mit Kupfer (optimale Schichtdicke 2-5 mikron in Semiadditiv- oder 35 mikron in Substraktiv-Arbeitsweise).
b) Elektrostatisches, elektrophoretisches Beschichten sowie Besprühen oder '■ Tauchen mittels eines photosensiblen Resistes (optimale Schichtdicke: 20 bis 40 mikron je nach Dicke des Leiterbahnzuges. Um pilsförmige Leiterbahn-Querschnitte zu vermeiden,
sollte die Photoresist-Schichtdicke größer sein als die Leiterbahn-Schichtdicke).
8. Der Resist auf der Oberfläche des Kunststoff-3D-Leiterformkörpers wird durch die transparenten Flächen der 3D-Maske mit handelsüblichen Belichtungsautomaten belichtet. Das 3D-Gebilde kann hierbei in der Belichtungskammer rotieren oder im Mehrfachnutzen unter einem halbkugeligen Lampenarrangement durchfahren.
9. Die mehrteilige 3D-Maske wird entfernt.
10. Die belichteten Flächen des Photoresist werden wie in der FR-4-Leiterplattenproduktion üblich entwickelt.
11. Nach dem- Reinigen, der freigelegten Kupferoberfläche wird die Schichtdicke des Leiterbahnzug-es auf 40 mikron in der Semiadditv-Technik durch eine Metallisierung erhöht (in der Subtraktivtechnik kann direkt das Kupfer bis zum Kunststoff geätzt werden).
12.' Der Photoresist wird gestrippt.
13. Das endgültige Leiterbahnlayout wird durch einen Differenzätzprozeß erstellt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Mit der Erfindung wird im angegebenen Anwendungsfall erreicht, daß Leiterplatten nicht mehr durch ihre planare Gestaltungsweise limitiert sind. Die volle Nutzung der räumlichen Orientierung des Schaltlayouts erlaubt bei der Konstruktion von Geräten Schaltfunktionen mit Chassis-, Gehäuse- und Montagefunktionen in einem Bauteil bzw. Spritzgußteil zu kombinieren. Hierbei sind die Leiterbahnzüge nur über die im Anspruch 1 beschriebene Fotomaske so zu gestalten, daß sie z. B. Rampen entlang,Stufen hoch und um Ecken laufen können.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Spritzgußtechnili und der Verarbeitung von Thermoplasten, die die wirtschafliehe Produktion von Tausenden von gleichartigen Teilen erlaubt, die sich in ihren mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften nicht wesentlich unterscheiden. Besonders die Integration von Schnapphalterungen und die Ausführung unterschiedlicher Bestückungsniveaus erlauben die kostengünstige Produktion und Montage von Elektronikgeräten.
Weiterbildung der Erfindung
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-4 angegeben. Die Verformbarkeit des Trägermaterials der Fotomaske wird durch die Ansprüche 2 und 3 ausgestaltet. Die Weiterbildung nach Anspruch 4 für die Fotomaske ermöglicht die konturgetreue Abbildung des Leiterbahnbildes ohne Streuverluste der Belichtungsstrahlung.
Die Fotomaske ist dadurch erhältlich, daß als Trägermaterial eine transparente Kunststoffolie verwendet wird, die an einem, die nicht ebene Oberfläche des Substrats wiedergebende Fläche mittels eines Stempels angelegt und tiefgezogen wird und daß diese Schicht durch einen in seinem Fokuspunkt auf der Schicht veränderbaren Laserstrahl verdampft oder belichtet wird und dabei lichtdurchlässige Abschnitte freigelegt werden.
Die vorgenannte Fotomaske ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Folie aus thermoplastischem Material das Tiefziehen unter Vakuum und einer Temperatur nahe dem Erweichungspunkt der Folie vorgenommen wird.
Die Folie kann eine Dicke von 25 bis 1200 Mikrometer haben.
Als Trägermaterial der Fotomaske kann ein transparenter Kunststoffblock verwendet werden, der durch NC-gesteuerte Fräßarbeiten eine der räumlichen Gestalt des Substrates wiedergebenden Oberflächenstruktur aufweist. Diese so hergestellte Fläche des Kunststoffblockes kann mit einer verdampfbaren, lichtundurchlässigen Schicht überzogen werden. Diese Schicht kann durch einen in seinem Fokuspunkt veränderbaren Laserstrahl verdampft oder belichtet werden und dabei lichtdurchlässige Abschnitte freilegen.
Die lichtundurchlässige Schicht auf der Oberfläche der Fotomaske kann mit einem Lack oder fotoempfindlichen Resist überzogen werden. Diese Schicht wird durch einen in seinem Fokuspunkt auf der Schicht veränderbaren Laserstrahl verdampft oder belichtet. Dabei werden direkt oder nach dem Entwickeln des Fotoresistes lichtdurchlässige Abschnitte freigelegt.
Die lichtundurchlässige Schicht auf der Oberfläche der Fotomaske kann durch elektrostatisches Besprühen oder elektrophoretisches Abschneiden aufgebracht werden.
Zur Änderung des Fokuspunktes des Laserstrahls auf der lichtundurchlässigen Schicht kann der Laserstrahl von einer Verstellvorrichtung, wie z. B. Galvanometerspiegel, im dreidimensionalen Raum geführt werden.
Ferner kann zur Änderung des Fokuspunktes des Laserstrahls auf der lichtundurchlässigen Schicht das eine Ende eines Lichtleiters von einer Verstellvorrichtung auf einer dreidimensionalen Bahn in geringem Abstand von der Folie geführt werden. In das andere Ende des Lichtleiters wird dabei der Strahl eines Lasers eingespeist.
Als Laser kann ein Nd-YAG-Laser oder ein Ionenlaser oder ein Gaslaser oder ein Excimerlaser oder eine Hochleistungslaserdiode verwendet werden.
Mit der vorgenannten Fotomaske kann eine Leiterplatte hergestellt werden. Diese ist dadurch erhältlich, daß eine 3-dimensional gestalteten Oberfläche eines isolierenden Substrates mit einer Grundschicht aus Metall versehen wird, die mit einer fotoempfindlichen Schicht überzogen wird, daß die Lackschicht durch eine Fotomaske hindurch belichtet wird, deren Trägermaterial lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Abschnitte hat, deren Verteilung des Leiterbahnmuster bildet, daß die räumliche Gestalt der Oberfläche des Trägermaterials, die der zu belichteten Fläche des Substrats zugewandt ist, der räumlichen Gestalt der 3-dimensionalen Oberfläche des Substrates angepaßt ist, und daß danach die Leiterbahnen in einem chemischen oder elektrolytischen Aufbauprozeß erzeugt werden.
Bei dieser Leiterplatte kann das Belichten mittels Licht erfolgen.
Bei der vorgenannten Leiterplatte kann die fotoempfindliche Schicht beim Belichten in eine alkalisch- oder lösungsmittelentwickelbare Form gebracht und als Positiv-Resist verwendet werden.
Die Leiterplatte kann dadurch gekennzeichnet sein, daß die fotoempfindliche Schicht mit Belichten aushärtet und als Negativ-Resist verwendet wird.
Bei der Leiterplatte kann die Maske beim Belichten die lichtempfindliche Schicht berühren.
Die Maske kann unter Anwendung von Vakuum in engen Kontakt mit der lichtempfindlichen Schicht auf der Leiterplatte gebracht werden.
Beim Belichten kann die Maske in einem vorgegebenen kleinen Abstand von der lichtempfindlichen Schicht gehalten werden.
Als Grundschicht kann auf der Oberfläche des 3D-Substrates eine Aktivatorschicht verwendet werden. Die Leiterbahnen können dann durch stromlose elektrochemische Metallisierung erzeugt (Additivprozeß) werden.
Als Grundschicht kann auch eine Metallschicht verwendet werden. Die Leiterbahnen können dann durch einen Ätzprozeß (Subtraktivprozeß) erzeugt werden.
Bei einer Leiterplatte kann auch als Grundschicht eine Metallschicht verwendet werden. Die Metallschicht wird nach dem Entwickeln der lichtempfindlichen Schicht durch galvanochemisches Metallisieren verstärkt und die Leiterbahnen werden durch Ätzen der Grundschicht (Semiadditivprozeß) nach dem Strippen des Photoresists erzeugt.
Darstellung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren 1 und 2 erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Fotomaske im Schichtaufbau im Augenblick der
Laserbearbeitung und
Fig. 2 die Fotomaske im Kontakt zum 3D-Substrat.
In den Figuren ist die zu belichtende Oberfläche des Substrates 10, die zugewandte Fläche 11, das Trägermaterial der Fotomaske 12, die räumliche Gestaltung der Oberfläche 13 des dielektrischen Substrates (Leiterformkörper) 14 dargestellt.
Der abzutragende Lack 16 wird auf der Fotomaske 12 mittels Laserlicht 18 verdampft oder belichtet. Die Belichtung 17 des Photoresists 19 auf der Cu-Schicht 15 in den zu belichtenden Oberflächensegmenten 10 ist in Fig. 2 dargestellt.

Claims (4)

Schutzansprüche
1. Fotomaske zur Herstellung von Leiterbahnen auf einer nicht ebenen, 3-dimensional geformten Oberfläche eines isolierenden Substrates, auf der lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Abschnitte vorgesehen sind, deren Verteilung das Leiterbahnmuster bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die der zu belichtenden Oberfläche des Substrates (10) zugewandte Fläche (11) des Trägermaterials (12) in ihrer räumlichen Gestalt der Oberfläche (13) des Substrates (14) angepaßt ist.
2. Fotomaske nach Anspruch 1, d. g., daß als Trägermaterial ein thermoplastischer, lichtdurchlässiger Kunststoff vorgesehen ist.
3. Fotomaske nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff Polysulfon oder Polycarbonat oder PoIyimid oder Polyethersulfon oder Polyetherimid oder amorphes Polyamid oder Polyvinychlorid oder Polypropylen oder Polyacetal oder Polyacrylat oder Polytherephthalat vorgesehen ist.
4. Fotomaske nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lackschicht auf dem Trägermaterial der Fotomaske vorzugsweise auf der Fläche aufgebracht wird, die der lichtempfindlichen Schicht des Leiterplattensubstrates zugewandt ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0575849A2 (de) * 1992-06-26 1993-12-29 Martin Marietta Corporation Konforme photomaske für die Technologie der dreidimensionalen Leiterplatten

Cited By (2)

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EP0575849A2 (de) * 1992-06-26 1993-12-29 Martin Marietta Corporation Konforme photomaske für die Technologie der dreidimensionalen Leiterplatten
EP0575849A3 (en) * 1992-06-26 1994-05-18 Martin Marietta Corp Conformal photomask for three-dimensional printed circuit board technology

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