VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON PRÄGEWERKZEUGEN METHOD FOR THE PRODUCTION OF EMBOSSING TOOLS
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Leiterplatten und analogen Verbindungssubstraten. Konkret beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für ein Prägeverfahren, insbesondere ein Heissprägeverfahren, nach der Definition der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to the field of the production of printed circuit boards and analog connecting substrates. Specifically, the invention includes a method for producing tools for an embossing process, in particular a hot embossing process, according to the definition of the independent claims.
Moderne Leiterplatten und analoge Verbindungssubstrate, wie High-Density-Inter- connects (HDI), Multi- Chip-Module (MCM) und auch sogenannte Interposer - Substrate wie Chip-Scale-Packages (CSP) oder Ball-Grid-Arrays (BGA) zeichnen sich durch eine immer höhere Packungsdichte aus, die gleichzeitig die Verwendung von Mikrolöchern und auch immer feineren Leiterstrukturen bedingt. Gleichzeitig nimmt der Druck in Richtung niedrigerer Kosten und auch in Richtung umweltneutraler Verfahren und Materialien ständig zu.Modern circuit boards and analog connection substrates, such as high-density interconnects (HDI), multi-chip modules (MCM) and also so-called interposers - substrates such as chip-scale packages (CSP) or ball grid arrays (BGA) are characterized by an ever higher packing density, which at the same time requires the use of microholes and ever finer conductor structures. At the same time, the pressure towards lower costs and also towards environmentally neutral processes and materials is constantly increasing.
Konventionelle Verfahren zur Herstellung der Mikrolöcher basieren entweder auf Laser - Bohren, Plasmaverfahren bzw. photochemischer Prozesse. Die Verfahren zur Herstellung der Leiterstrukturen verwenden praktisch zu 100% photochemische Pro- zesse, verbunden mit subtraktivem Ätzen der zu strukturierenden Metallschichten. Diese Verfahren weisen eine Reihe von Nachteilen technischer Art und auch in Bezug auf die Kosten auf, und sie sind auch - was die Umwelt betrifft - nicht unproblematisch, sodass nach neuen, besseren Verfahren gesucht wird.
In der Anmeldung PCT/CHO 1/00004 wird ein solches neues Verfahren beschrieben, bei dem der Prozess des Heiss-Prägens zur Strukturierung und gleichzeitig auch zur Erzeugung der Mikrolöcher eingesetzt wird. Dieser Prozess erlaubt nicht nur die sehr Ökonomische Herstellung solcher Substrate, sondern ist auch geeignet feinste Leiter- Strukturen mit hoher Ausbeute sehr umweltschonend zu produzieren.Conventional methods for producing the microholes are based either on laser drilling, plasma processes or photochemical processes. The processes for producing the conductor structures use practically 100% photochemical processes, combined with subtractive etching of the metal layers to be structured. These processes have a number of technical disadvantages and also in terms of costs, and they are also not without problems in terms of the environment, so that new, better processes are sought. Such a new method is described in the application PCT / CHO 1/00004, in which the process of hot stamping is used for structuring and at the same time for producing the microholes. This process not only allows the very economical production of such substrates, but is also suitable for producing the finest conductor structures with a high yield in a very environmentally friendly manner.
Die Herstellung des Prägewerkzeuges ist hingegen nicht trivial, da dieses die feinen Strukturen beinhalten muss und auch andere Eigenschaften, wie die Lebensdauer, und die Ebenheit, spielen eine wichtige Rolle.The manufacture of the embossing tool, on the other hand, is not trivial, since it must contain the fine structures and other properties, such as the service life and flatness, also play an important role.
Üblicherweise werden solche Werkzeuge mit Hilfe der sogenannten LIGA - Technik hergestellt, wobei dazu parallele Röngtenstrahlen zur Belichtung der eingesetzten Photoresiste notwendig sind. Diese können praktisch nur durch Synchrotron - Anlagen bereitgestellt werden, wodurch sich verständlicherweise die Kosten für die Werkzeugherstellung massiv erhöhen.Such tools are usually produced using the so-called LIGA technology, which requires parallel X-rays to expose the photoresists used. These can practically only be provided by synchrotron systems, which understandably increases the costs for tool manufacture massively.
Aus diesem Grunde wurde die Low-Cost - LIGA - Technik (LC-LIGA) entwickelt, die zur Belichtung paralleles UV-Licht einsetzt. Damit können die Kosten massiv gesenkt werden. Figuren la bis lg zeigen die wesentlichen Schritte zur Herstellung eines solchen Werkzeuges. Das beschriebene Verfahren ist an sich bekannt und es wird auch in abgewandelter Form zur Herstellung präzis geformter Mikroteile, wie Zahnräder etc. eingesetzt.For this reason, the low-cost LIGA technology (LC-LIGA) was developed, which uses parallel UV light for exposure. This can massively reduce costs. Figures la to lg show the essential steps for producing such a tool. The method described is known per se and is also used in a modified form for the production of precisely shaped micro parts, such as gears, etc.
Ausgangspunkt ist üblicherweise ein dotierter Silizium- Wafer oder eine mit einem elektrisch gut leitfähigen Metall 3 beschichtete Glasplatte 1 (Fig. la). Diese wird mit einem speziellen Photoresist 5 beschichtet, dessen Dicke genau definiert ist (Fig. lb).
Danach wird der Photoresist 5 durch eine entsprechende Maske 7 mittels parallelem UV - Licht 9 belichtet (Fig. lc) und anschliessend entwickelt (Fig. ld). Durch die Verwendung eines speziellen Resists und der parallelen UV-Lichtquelle kann man erreichen, dass selbst feinste Strukturen sehr exakt abgebildet werden, wobei die erzeugten Strukturen sehr genaue, rechteckige Querschnitte aufweisen.The starting point is usually a doped silicon wafer or a glass plate 1 coated with an electrically highly conductive metal 3 (FIG. 1 a). This is coated with a special photoresist 5, the thickness of which is precisely defined (FIG. 1b). Then the photoresist 5 is exposed through a corresponding mask 7 by means of parallel UV light 9 (FIG. 1c) and then developed (FIG. 1d). By using a special resist and the parallel UV light source, it is possible to ensure that even the finest structures are imaged very precisely, the structures produced having very precise, rectangular cross sections.
Damit Metall nicht nur auf den freigelegten Bereichen der leitfähigen Basisschicht, sondern auch auf grösseren Flächen des Resists 5 homogen abgeschiedenen werden kann, muss die Oberfläche vorab mit einer dünnen, leitfähigen Schicht 11 aus Kupfer oder einem anderen Metall belegt werden (Fig. le). Diese Schicht kann entweder auf chemischen Weg oder durch Bedampfen, bzw. Sputtern erzeugt werden. Anschliessend wird ein Metall, meist Hartnickel, galvanisch auf dieser Struktur abgeschieden, wobei die ursprüngliche 3, wie auch die aufgedampfte Metallschicht 11 als Basis und somit als Kathode dient.So that metal can be deposited homogeneously not only on the exposed areas of the conductive base layer, but also on larger areas of the resist 5, the surface must be covered beforehand with a thin, conductive layer 11 made of copper or another metal (Fig. Le). This layer can either be produced chemically or by vapor deposition or sputtering. A metal, usually hard nickel, is then electrodeposited on this structure, the original 3 and the vapor-deposited metal layer 11 serving as the base and thus as the cathode.
Dabei werden die erzeugten Vertiefungen im Resist blasenfrei gefüllt (Fig. lf). Die Abscheidung dauert solange, bis eine homogene, durchgängige Metallschicht 13 gebildet ist, die dann vom Träger abgezogen werden kann (Fig. lg). Dabei ist zu bemerken, dass alle erzeugten Strukturen exakt die gleiche Höhe aufweisen, da der Resist in allen Bereichen gleich dick ist.The depressions created in the resist are filled bubble-free (Fig. Lf). The deposition lasts until a homogeneous, continuous metal layer 13 is formed, which can then be removed from the carrier (FIG. 1g). It should be noted that all the structures produced have exactly the same height, since the resist is of the same thickness in all areas.
In vielen Anwendungen werden aber Strukturen verlangt, die verschieden hoch sind, d.h. viele Prägestrukturen müssen verschieden tiefe Bereiche aufweisen. Die Herstellung derartiger, mehrlagiger Werkzeuge ist noch bedeutend schwieriger, da zwei Photoschritte notwendig sind. Figuren 2a - 2f zeigen schematisch die wesentlichen Schritte zur Herstellung eines Prägewerkzeuges mit zwei unterschiedlich hohen Strukturen.
Der Herstellprozess ist bis zur Erzeugung der ersten strukturierten Resistlage 5 mit Fig. 1 identisch (Fig. 2a und 2b). Nach dem Entwickeln der ersten Lage Photoresist 5 wird eine zweite Lage 5' aufgebracht und diese analog zur ersten belichtet und entwickelt. Nach Aufbringen der elektrisch leitfähigen Metallschicht 11 (Fig. 2d) wird wiederum galvanisch Hartnickel abgeschieden (Fig. 2e) und damit ein zweistufiges Werkzeug 13' (Fig. 2f) erzeugt.In many applications, however, structures are required that are of different heights, ie many embossed structures must have areas of different depths. The production of such multi-layer tools is even more difficult because two photo steps are necessary. FIGS. 2a-2f schematically show the essential steps for producing an embossing tool with two structures of different heights. The production process is identical to FIG. 1 until the first structured resist layer 5 is produced (FIGS. 2a and 2b). After the development of the first layer of photoresist 5, a second layer 5 'is applied and this is exposed and developed analogously to the first. After application of the electrically conductive metal layer 11 (FIG. 2d), hard nickel is again deposited (FIG. 2e) and thus a two-stage tool 13 ′ (FIG. 2f) is produced.
Es ist einsichtig, dass dieser Herstellprozess recht aufwendig ist. Zudem erweist es sich oftmals als Nachteil, dass damit keine konischen sondern nur zylindrische bzw. quaderförmige Formen hergestellt werden können.It is clear that this manufacturing process is quite complex. In addition, it often proves to be a disadvantage that it is not possible to produce conical but rather cylindrical or cuboid shapes.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Prägewerkzeigen zur Verfügung zu stellen, welches nicht nur die wesentlich kostengünstigere Produktion der Werkzeuge ermöglicht, sondern auch die Möglichkeit eröffnet, von rechteckigen Strukturen verschiedene, bspw. konische Strukturen zu erzeugen.It is therefore an object of the invention to provide a method for producing embossing dies which not only enables the tools to be produced much more economically, but also opens up the possibility of producing different, for example conical, structures from rectangular structures.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert ist.This object is achieved by the invention as defined in the independent claims.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Heissprägewerkzeugen zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass eine Urform gefertigt wird, welche Rillen für die Leiterbahnen sowie mechanisch beigebrachte Vertiefungen für die Löcher und Mikrolöcher aufweist. Aus dieser Urform wird durch galvanisches Abformen das Werkzeug hergestellt.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist, dass mit Hilfe von geeigneten Einstech- Werkzeugen beliebige Lochformen und -grössen formbar sind. Auch die Herstellung von Werkzeugen mit Kombinationen von verschiedenen Erhebungen mit verschiedenen Grössen/Formen ist ohne Weiteres möglich. Dadurch werden die Flexibilität und die Ökonomie des Herstellungsverfahrens massiv verbessert.The method according to the invention for producing hot stamping tools is essentially characterized in that a master mold is produced which has grooves for the conductor tracks and mechanically provided depressions for the holes and microholes. The tool is produced from this original form by means of galvanic molding. A major advantage of the method is that any hole shape and size can be shaped using suitable plunge-cut tools. The production of tools with combinations of different elevations with different sizes / shapes is also easily possible. This massively improves the flexibility and economy of the manufacturing process.
Im Folgenden werden noch Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen etwas detaillierter beschrieben. In den Zeichnungen zeigenIn the following, exemplary embodiments of the invention are described in somewhat more detail on the basis of schematic drawings. Show in the drawings
- Figuren la bis lg ein Verfahren gemäss dem Stand der Technik- Figures la to lg a method according to the prior art
- Figuren 2a bis 2f ein weiteres Verfahren gemäss dem Stand der Technik- Figures 2a to 2f another method according to the prior art
Figuren 3a bis 3f ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens (Verfahren A)FIGS. 3a to 3f a first exemplary embodiment of the method according to the invention (method A)
Figuren 4a bis 4e ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens (Verfahren B)FIGS. 4a to 4e a second exemplary embodiment of the method according to the invention (method B)
- Figuren 5a bis 5h ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens (Verfahren C)- Figures 5a to 5h, a third embodiment of the inventive method (method C)
Figuren 6a bis 6e ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens (Verfahren D)
Figuren 7a bis 7e noch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens (Verfahren E),FIGS. 6a to 6e a further exemplary embodiment of the method according to the invention (method D) FIGS. 7a to 7e another exemplary embodiment of the method according to the invention (method E),
Figur 8 die gemäss dem Verfahren E als Zwischenprodukt erzeugte Urform in einer teilweise geschnittenen Ansicht undFigure 8 shows the original form produced according to the method E as an intermediate product in a partially sectioned view and
Figur 9 ein Einstech- Werkzeug, wie es für das Verfahren E verwendet werden kann.FIG. 9 shows a piercing tool as can be used for method E.
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens (Verfahren A) ermöglicht die Herstellung von Prägewerkzeugen mit theoretisch beliebig vielen Höhenstufen. Gemäss diesem Beispiel wird von einem metallischen, als Blech ausgeformten Vorprodukt ausgegangen. Als Ausgangsmaterial wird konkret bspw. ein Kupferblech mit einer Dicke von 0.3 bis ca. 2 mm verwendet (Figur 3a). In einem ersten Schritt werden in das Vorprodukt 21 Vertiefungen 21.1, 21.2 eingebracht, wobei ein einfaches Einstechen mit einem geeigneten Werkzeug 23, 25 an genau definierten Orten erfolgt (Figur 3b).A first exemplary embodiment of the method according to the invention (method A) enables the production of embossing tools with theoretically any number of height levels. According to this example, a metallic preliminary product formed as sheet metal is assumed. For example, a copper sheet with a thickness of 0.3 to approx. 2 mm is used as the starting material (FIG. 3a). In a first step, indentations 21.1, 21.2 are made in the preliminary product 21, with simple piercing using a suitable tool 23, 25 taking place at precisely defined locations (FIG. 3b).
Das Einstech - Werkzeug 23, 25 kann beliebige, bspw. konische Winkelformen aufweisen. Es kann bspw. kegel - oder pyramidenförmig ausgeführt sein. Zudem sind meisselförmige Werkzeuge möglich. Die Tiefe der Eindrücke kann durch das Werkzeug selbst begrenzt sein. Die Maschine die diese Eindrücke erzeugt, kann aber auch so ausgeführt werden, dass die Tiefe mit Hilfe einer Steuerungssoftware gezielt eingestellt werden kann.The piercing tool 23, 25 can have any desired, for example conical, angular shapes. For example, it can be conical or pyramid-shaped. Chisel-shaped tools are also possible. The depth of the impressions can be limited by the tool itself. The machine that generates these impressions can also be designed so that the depth can be set with the help of control software.
In Fig. 3b sind zwei verschieden tiefe Eindrücke ersichtlich. Man kann natürlich, sofern notwendig, beliebig viele verschiedene Tiefen erzeugen.
Diese Eindrücke sind mehr oder weniger punktförmig, d.h. sie repräsentieren lokale, punktförmige Vertiefungen, die im Prägewerkzeug z.B. dazu verwendet werden, Mikrolöcher, oder Rasterungen herzustellen. Die Eindrücke sind zwischen 5 und 100 μm tief. Wie die Erfahrung zeigt, wird bei derartig kleinen Eindrücken das Metall komprimiert und nicht oder kaum merkbar verdrängt, sodass keine Kraterränder entstehen.3b shows two impressions of different depths. Of course, you can create any number of different depths if necessary. These impressions are more or less punctiform, that is, they represent local, punctiform depressions that are used in the embossing tool, for example, to produce microholes or screenings. The impressions are between 5 and 100 μm deep. Experience has shown that the metal is compressed with such small impressions and not or hardly noticeably displaced, so that there are no crater edges.
Anschliessend wird analog zum oben beschriebenen, bekannten Verfahren ein Photoresist 27 aufgebracht, dieser durch eine Maske belichtet und anschliessend entwickelt. In der Figur 3c ist die dadurch entstandene Urform 30 dargestellt. Die Maske muss hier naturgemäss gegenüber den bereits vorhandenen Eindrücken registriert werden (das heisst, die Photoresist-Schicht darf nach dem Entwickeln und Abtragen diese nicht bedecken), was aber kein Problem darstellt.A photoresist 27 is then applied analogously to the known method described above, this is exposed through a mask and then developed. FIG. 3c shows the archetype 30 that is created as a result. The mask naturally has to be registered against the already existing impressions (that is, the photoresist layer must not cover it after development and removal), but this is not a problem.
Um eine homogene Metallabscheidung zu erreichen empfiehlt sich auch in diesem Verfahren die Beschichtung der gesamten Oberfläche mit einer leitfähigen Metall- schicht 29 (Figur 3d) auf die dann die Hartnickelschicht 31 galvanisch aufgebracht wird (Figur 3e). Die ganvanische Abscheidung von Material erfolgt vorzugsweise so lange, bis eine im Wesentlichen glatte und ebene Oberfläche (Rückfläche) 31.1 entstanden ist. Nach der Separation und einer Reinigung ist das Prägewerkzeug 31 bereit, eingesetzt zu werden (Figur 3f).In order to achieve a homogeneous metal deposition, it is also recommended in this method to coat the entire surface with a conductive metal layer 29 (FIG. 3d) onto which the hard nickel layer 31 is then applied galvanically (FIG. 3e). The galvanic deposition of material is preferably carried out until an essentially smooth and flat surface (rear surface) 31.1 has been created. After the separation and cleaning, the embossing tool 31 is ready to be used (FIG. 3f).
Bezüglich das galvanische Auffüllen von unter Umständen auch ausgeprägten Strukturen und das Erreichen einer glatten Oberfläche 31.1 auch für dünne Schichten wird hier unter anderem auf die Patentanmeldung PCT/CH01/00004 verwiesen. Dieser Verweis gilt auch für alle nachstehend beschriebenen Verfahren und insbesondere auch für Varianten, wo ein Teil des Werkzeuges aus Kupfer gefertigt wird.
- ö -With regard to the galvanic filling of structures which may also be pronounced and the achievement of a smooth surface 31.1 even for thin layers, reference is made here, inter alia, to patent application PCT / CH01 / 00004. This reference also applies to all the methods described below and in particular also to variants where part of the tool is made of copper. - ö -
Die Vorteile des Verfahrens liegen auf der Hand:The advantages of the process are obvious:
Verwendung eines sehr kostengünstigen Trägermaterials (Kupferblech)Use of a very inexpensive carrier material (copper sheet)
Das Kupferblech hat eine Wärmeausdehnung von 19 ppm/°K was exakt dem Wert von Nickel entspricht. Dadurch entstehen zwischen den beiden Metallen keine Spannungen, wie sie bei der Kombination Si bzw. Glas mit Nickel üblich sind. Dies führt zu einer Verbesserung der Ebenheit der Werkzeuge.The copper sheet has a thermal expansion of 19 ppm / ° K which corresponds exactly to the value of nickel. As a result, there are no tensions between the two metals, as is common with the combination of Si or glass with nickel. This leads to an improvement in the flatness of the tools.
Es ist lediglich ein photochemischer Prozess erforderlich, obschon mehrstufige Werkzeuge hergestellt werden können. Es entfallen daher auch die Kosten für eine zweite Belichtungsmaske.All that is required is a photochemical process, although multi-stage tools can be manufactured. There is therefore no need for a second exposure mask.
- Die Strukturen die am tiefsten sind, sind in diesem Verfahren konisch auszuführen, wodurch ein einfaches Ablösen der Prägeform möglich ist. Zudem ist die Abscheidung von Hartnickel ohne den Einbau von Hohlräumen viel einfacher zu bewerkstelligen.- The deepest structures are to be made conical in this process, which makes it easy to remove the embossing mold. In addition, the deposition of hard nickel is much easier to do without the installation of cavities.
In den Figuren 4a bis 4e ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens (Verfahren B) dargestellt. Dieses unterscheidet sich vom Verfahren im Wesentlichen dadurch, dass die galvanisch abgeschiedene Metallschicht zweilagig ausgeführt wird. Die Urform 30 der Figur 4a entspricht hier der Urform der Figur 3c. Nach der Beschichtung mit einem leitfähigen Metall 29 (Figur 4b) wird in einer ersten Abscheidung ein Metall 41 mit hoher Härte (Hartnickel) abgeschieden. Dieses Material hat zwar den Vorteil, dass es eine hohe Lebensdauer des Prägewerkzeuges garantiert, andererseits planarisiert es beim Galvanisieren relativ schlecht und es entstehen rückseitige Flächen die relativ uneben sind.
Um eine plane Auflage des Prägewerkzeuges am Pressstempel zu gewährleisten, müsste in einem solchen Fall das galvanisch abgeschiedene Metallteil auf der Rückseite durch Schleifen oder Läppen planarisiert werden.A second embodiment of the method according to the invention (method B) is shown in FIGS. 4a to 4e. This differs from the method essentially in that the electrodeposited metal layer is made in two layers. The archetype 30 of FIG. 4a corresponds here to the archetype of FIG. 3c. After coating with a conductive metal 29 (FIG. 4b), a metal 41 with high hardness (hard nickel) is deposited in a first deposition. Although this material has the advantage that it guarantees a long service life of the embossing tool, on the other hand it is relatively poorly planarized during electroplating and rear surfaces are created which are relatively uneven. In such a case, the galvanically deposited metal part on the back would have to be planarized by grinding or lapping in order to ensure that the embossing tool lies flat on the stamp.
Wird nach einer Schichtdicke von ca. 100 - 300 μm Hartnickel anschliessend eine weichere Nickelschicht 43, oder aber auch eine Kupferschicht aufgebracht, so kann die Abscheidung durch bestimmte Zusätze so beeinflusst werden, dass sehr ebene Rückflächen 43.1 entstehen.If a softer nickel layer 43 or a copper layer is subsequently applied after a layer thickness of approximately 100-300 μm hard nickel, the deposition can be influenced by certain additives in such a way that very flat rear surfaces 43.1 are created.
Wird Kupfer als zweites Metall eingesetzt, so erhält man dadurch noch den Vorteil, dass die vertikale Wärmeleitfähigkeit des Metallverbundes wesentlich erhöht werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, da beim Heissprägen die Wärme über die geheizten Pressstempel über das Werkzeug auf das zu prägende Material übertragen werden muss. Bei dicken Werkzeugen aus Nickel würde dieses einen relativ hohen Wärmewiderstand repräsentieren und entsprechend einen Temperatursprung, d.h. die Temperatur der Pressstempel müssten höher gewählt werden, was die Lebensdauer der Heizstäbe negativ beeinflussen würde.If copper is used as the second metal, this also has the advantage that the vertical thermal conductivity of the metal composite can be increased significantly. This is particularly advantageous because during hot stamping, the heat has to be transferred to the material to be stamped via the heated press stamps via the tool. In the case of thick tools made of nickel, this would represent a relatively high thermal resistance and accordingly a temperature jump, i.e. the temperature of the press punches would have to be chosen higher, which would have a negative effect on the service life of the heating rods.
Das Verfahren C gemäss den Figuren 5a bis 5h gestattet die Herstellung eines mehrstufigen Prägewerkzeuges mit nur einem photochemischen Prozess und eliminiert zudem die Leitschicht, die meist durch einen Aufdampfprozess erzeugt wird.The method C according to FIGS. 5a to 5h allows the production of a multi-stage embossing tool with only one photochemical process and also eliminates the conductive layer, which is usually generated by a vapor deposition process.
Ausgangspunkt ist ein Kupferblech 51 analog zu den vorangehenden Verfahren (Figur 5a). Dieses wird mit einer dünnen Schicht eines Photoresists 53 beschichtet (Figur 5b), der gemäss herkömmlicher Verfahren durch eine Maske belichtet und entwickelt wird (Figur 5c). Normalerweise enthält das erzeugte Bild nur die
Leiterstrukturen, während die punktförmigen Strukturen für die Mikrolöcher noch nicht enthalten sind.The starting point is a copper sheet 51 analogous to the previous method (FIG. 5a). This is coated with a thin layer of a photoresist 53 (FIG. 5b), which is exposed and developed through a mask in accordance with conventional methods (FIG. 5c). Usually the generated image contains only that Conductor structures, while the punctiform structures for the microholes are not yet included.
In einem konventionellen Ätzprozess wird nun das Kupfer gemäss der Resiststruktur eingeätzt. Bedingt durch die isotrope Natur dieses nasschemischen Prozesses kommt es dabei zu einer Unterätzung, sodass dabei verrundete, konische Nuten 51.1 entstehen (Figur 5d). Der Resist wird gestrippt (Figur 5e)und anschliessend können die punktförmigen Vertiefungen 51.2, 51.3, wie bereits oben beschrieben, mechanisch erzeugt werden, wobei wiederum unterschiedliche Tiefen möglich sind (Figur 5f).In a conventional etching process, the copper is now etched in accordance with the resist structure. Due to the isotropic nature of this wet-chemical process, there is an undercut, so that rounded, conical grooves 51.1 are formed (FIG. 5d). The resist is stripped (FIG. 5e) and then the punctiform depressions 51.2, 51.3 can, as already described above, be produced mechanically, different depths again being possible (FIG. 5f).
In diesem Falle ist nun keine Leitschicht mehr erforderlich, sondern es kann direkt Nickel 55 abgeschieden werde (Figur 5g).In this case, a conductive layer is no longer required, but nickel 55 can be deposited directly (FIG. 5g).
Dieses Verfahren ist auch mit dem Verfahren B kombinierbar, das heisst das Werkzeug kann auch zwei oder mehr Metallschichten aufweisen.This method can also be combined with method B, ie the tool can also have two or more metal layers.
Die Vorteile sind:The advantages are:
Verwendung konventioneller Verfahren zur photochemischen Strukturierung des Resistes. So ist z.B. kein paralleles UV - Licht erforderlich und es können auch konventionelle Resiste eingesetzt werden.Use of conventional methods for the photochemical structuring of the resist. For example, no parallel UV light required and conventional resists can also be used.
Wegfall der aufgedampften Leitschicht.
Das strukturierte Kupferblech kann als Mastermatrize angesehen werden, von der praktisch beliebig viele Prägewerkzeuge abgeformt werden können. Sollte ein Prägewerkzeug einen Defekt aufweisen, so ist schnell und kostengünstig ein neues Werkzeug herzustellen. Dies im Unterschied zu Urformen, welche an ihrer Oberfläche noch isolierendes (Resist-) Material aufweisen, welches u.U. beim Ablösen des Werkzeugs in seiner Struktur nicht erhalten bleibt und welches auf jeden Fall neu mit Leitermaterial beschichtet werden müsste.Elimination of the evaporated conductive layer. The structured copper sheet can be viewed as a master die, from which practically any number of embossing tools can be molded. If a stamping tool has a defect, a new tool can be produced quickly and inexpensively. This is in contrast to archetypes, which still have insulating (resist) material on their surface, which structure may not be retained when the tool is detached, and which would in any case have to be newly coated with conductor material.
- Die geätzten, konischen Vertiefungen erzeugen auch entsprechend geformte Vertiefungen im zu prägenden Material. Dadurch wird die Ablösung des Prägewerkzeuges bedeutend einfacher.- The etched, conical recesses also produce correspondingly shaped recesses in the material to be embossed. This makes it much easier to detach the embossing tool.
Das im Folgenden anhand der Figuren 6a bis 6e beschriebene Verfahren D unterscheidet sich vom Verfahren C dadurch, dass anstatt einer Kupferplatte eine Kunststoff folie 61 als Ausgangsmaterial verwendet wird (Figur 6a). Dadurch ist es möglich, die Vertiefungen 61.1 für die Leiterbahnen direkt mittels Laserablation zu erzeugen (Figur 6b). Die im Wesentlichen punktförmigen Vertiefungen 61.2, 61.3 für die Löcher/Mikrolöcher können bspw. wie in den vorstehend beschriebenen Verfahren mechanisch beigebracht werden. Alternativ dazu können sie aber ebenfalls mittels Laser- Ablation erzeugt werden. Da die Kunststofffolie in den meisten Fällen elektrisch nicht leitend ist, muss sie vor dem Aufgalvanisieren mit einer Leitschicht 63 belegt werden (Figur 6c). Es können aber auch elektrisch leitfähige Kunststoffe eingesetzt werden, wodurch sich die Aufbringung der Leitschicht erübrigt.Method D described below with reference to FIGS. 6a to 6e differs from method C in that a plastic film 61 is used as the starting material instead of a copper plate (FIG. 6a). This makes it possible to produce the depressions 61.1 for the conductor tracks directly by means of laser ablation (FIG. 6b). The essentially punctiform depressions 61.2, 61.3 for the holes / microholes can be made mechanically, for example, as in the methods described above. Alternatively, they can also be generated using laser ablation. Since the plastic film is in most cases electrically non-conductive, it must be covered with a conductive layer 63 prior to electroplating (FIG. 6c). However, electrically conductive plastics can also be used, which makes the application of the conductive layer unnecessary.
Nach dem Aufgalvanisieren kann das Werkzeug 65 (Figur 6d) direkt abgenommen werden (Figur 6e). Auch dieses Verfahren kann mit Verfahren B kombiniert werden.
- 1Z -After electroplating, the tool 65 (FIG. 6d) can be removed directly (FIG. 6e). This method can also be combined with method B. - 1Z -
Grundsätziich wäre auch in diesem Falle eine Kupferbasis möglich, wenn entsprechend kurzwellige UV Laser zur Verfügung stehen. Die Abtragsrate ist zwar gegenüber Kunststoff wesentlich geringer, doch benötigt man dann keine zusätzliche Leitschicht und die Kupferplatte kann auch als Master für weitere Abzüge verwendet werden.In principle, a copper base would also be possible in this case if correspondingly short-wave UV lasers are available. The removal rate is considerably lower than that of plastic, but then no additional conductive layer is required and the copper plate can also be used as a master for further deductions.
Obschon die Erzeugung der Prägestrukturen mittels sequentiell arbeitenden Laserabtrag recht zeitaufwendig ist, verlangt dieses Verfahren nur Software - Daten und ist daher sehr flexibel und bei Kleinstserien und Prototypen durchaus angebracht.Although the generation of the embossed structures by means of sequentially working laser ablation is very time-consuming, this method only requires software data and is therefore very flexible and very appropriate for small series and prototypes.
Das Verfahren E (Figuren 7a bis 7e) unterscheidet sich vom Verfahren D darin, dass die Vertiefungen sowohl für die Mikrolöcher als auch für die Leiterzüge mechanisch erzeugt werden.Method E (FIGS. 7a to 7e) differs from method D in that the depressions are generated mechanically both for the microholes and for the conductor tracks.
Als Ausgangsmaterial kann ein Metallblech 71 oder auch ein Kunststofffolie aus einem plastisch verformbaren und je nach dem anschliessend an den Verformungsprozess noch härtbaren Kunststoff verwendet werden.A metal sheet 71 or also a plastic film made of a plastically deformable plastic, which depending on the plastic that is subsequently hardenable after the deformation process, can be used as the starting material.
Während die Vertiefungen 71.1 für die Mikrolöcher durch einfaches Eindrücken eines entsprechend geformten Werkzeuges hergestellt werden, sind Leiterzüge eindimensional ausgedehnte Strukturen, die zudem noch in verschiedenen Richtungen verlaufen können.While the recesses 71.1 for the microholes are produced by simply pressing in a correspondingly shaped tool, conductor tracks are one-dimensionally extended structures which can also run in different directions.
Daher ist das Verfahren dahingehend zu modifizieren, dass das Werkzeug 73 für das Eindrücken der Leiterstrukturen 71.2 in Kupfer oder Kunststoff wie ein Meissel geformt ist. Die Schneide des Meisseis ist in Richtung des Leiterverlaufes
auszurichten und die Eindrücke können dann überlappend ausgeführt werden, was in der Summe zu Nuten führt.The method must therefore be modified in such a way that the tool 73 for pressing the conductor structures 71.2 into copper or plastic is shaped like a chisel. The cutting edge of the Meisseis is in the direction of the ladder to align and the impressions can then be carried out overlapping, which in total leads to grooves.
Figur 8 zeigt die räumliche Darstellung zweier Eindrücke für Mikrolöcher 71.1 und dreier Nuten 71.2, die durch ein meisselförmiges Eindrück- Werkzeug gemäss Figur 9 hergestellt wurden. Durch entsprechendes Drehen dieses Eindrück- Werkzeuges können auch Nuten mit beliebigen Richtungen geformt werden.FIG. 8 shows the spatial representation of two impressions for microholes 71.1 and three grooves 71.2, which were produced by a chisel-shaped press-in tool according to FIG. 9. By turning this insertion tool accordingly, grooves can be formed in any direction.
Das meisselförmige Eindrück- Werkzeug kann im Prinzip fast beliebige Querschnitte aufweisen. Die Breite des Eindrück- Werkzeuges im Querschnitt darf sich lediglich nicht in der vom zu bearbeitenden Material weg weisenden Richtung - im in der Figur eingezeichneten Koordinatensystem in x-Richtung - nicht verjüngen. Ausserdem muss natürlich der Querschnitt im Richtung des Leiterbahn- Verlaufs - in z-Richtung - bis auf eventuelle Verjüngungen am Rand im Wesentlichen konstant sein.In principle, the chisel-shaped indentation tool can have almost any cross section. The width of the insertion tool in cross section may not only taper in the direction pointing away from the material to be machined - in the coordinate system shown in the figure in the x direction. In addition, the cross section in the direction of the conductor path - in the z direction - must of course be essentially constant except for any tapering at the edge.
Des weiteren ist es auch möglich, durch spanabhebende Verfahren kleinste Nuten herzustellen, die dann wiederum durch Hartnickel abgeformt werden können.
Furthermore, it is also possible to produce the smallest grooves by machining processes, which in turn can then be molded using hard nickel.