WO2003005784A2 - Leiterbahnstrukturen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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Abstract

Es werden Leiterbahnstrukturen auf einem elektrisch nichtleitenden Trägermaterial, die aus Metallkeimen und einer nachfolgend auf diese aufgebrachten Metallisierung bestehen, wobei die Metallkeime durch Aufbrechen von feinstverteilt in dem Trägermaterial enthaltenen elektrisch nichtleitenden Metallverbindungen durch elektromagnetische Strahlung entstanden sind, und ein Verfahren zur Herstellung der Leiterbahnstruckturen, beschrieben. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch nichtleitenden Metallverbindungen von thermisch hochstabilen, in wässrigen sauren oder alkalischen Metallisierungsbädern beständigen und nicht löslichen anorganischen Oxiden, die höhere Oxide mit der Struktur der Spinelle sind oder einfache d-Metalloxide oder deren Gemische oder Gemischtmetallverbindungen sind, die den Spinellstrukturen verwandt sing, gebildet sind und die in nicht bestrahlten Bereichen unverändert verbleiben. Die eingesetzten anorganischen Oxide sind derart temperaturbeständig, daß sie nach Einwirkung der Löttemperaturen stabil bleiben. Die Leiterbahnen sind sicher und einfach herzustellen und es wird eine sehr hohe Haftfestigkeit erzielt.

Description

Leiterbahnstrukturen und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft Leiterbahnstrukturen auf einem elektrisch nichtleitenden Trägermaterial gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Durch die Patentanmeldungen DE 197.23 734.7-34 und DE 197 31 346.9 sowie durch den Sonderdruck „Feinstrukturierte Metallisierung von Polymeren" aus Heft Nr. 11 , 54. Jahrgang (2000) der Fachzeitschrift „metalloberfläche" sind Verfahren bekannt geworden, bei denen zur Herstellung feiner, festhaftender Leiterbahnstrukturen in ein nichtleitendes Trägermaterial nichtleitende Metallchelatkomplexe eingebracht und von diesen mittels Laserstrahlung strukturiert Metallisierungskeime abgespalten werden, die in den bestrahlten Teilflächen eine nachfol- gende chemisch reduktive Metallisierung initiieren.
Derartige Verfahren sind u. a. einsetzbar für die Herstellung von Schaltungsträgern aus thermoplastischen Kunststoffen mittels eines Spritzgießverfahrens. Gegenüber alternativen Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Spritzguß-Schaltungsträgern, sogenannten „Moul- ded Interconnect Devices", weisen diese Verfahren den Vorteil auf, daß die Werkzeugkosten vergleichsweise niedrig gehalten werden können. Außerdem kann die Zahl der erforderlichen Prozeßschritte verringert werden, da der unzersetzte Metallchelatkomplex in den nicht bestrahlten Bereichen auf der Oberfläche des Schaltungsträgers verbleiben kann. Es ist so eine sehr wirtschaftliche Herstellung auch mittelgroßer Stückzahlen möglich, wobei eine besonders feine Auflösung des Strukturbildes erreicht werden kann.
Den genannten Vorteilen stehen die Nachteile gegenüber, daß die thermische Stabilität der beschriebenen Metallchelatkomplexe hinsichtlich der Verarbeitungstemperaturen moderner Hochtemperatur-Kunststoffe wie LCP im Grenzbereich liegt. Deshalb ist das Verfahren auf diesen mit der zukünftigen bleifreien Löttechnik noch wichtiger werdenden Werkstoffbereich nur beschränkt anwendbar. Zum anderen müssen die Metallchelatkomplexe in vergleichsweise hoher Dosierung zugesetzt werden, um bei Laseraktivierung eine hinreichend dichte Bekeimung für schnelle Metallisierung zu erhalten. Der hohe Komplexanteil beeinträchtigt aber häufig wichtige Gebrauchseigenschaften des Trägermaterials, wie beispielsweise die Bruchdehnung und die Schlagzähigkeit.
Im Tätigkeitsbericht 1999 des LFT der Universität Erlangen-Nürnberg ist im übrigen ein analo- ger Verfahrensansatz bekanntgeworden, bei dem durch Laserstrahlung freizusetzende Metallisierungskeime nicht wie oben beschrieben chemisch eingebunden, sondern physikalisch, durch Verkapselung von Metallpartikeln, passiviert werden. Da die verkapselten Partikel erheblich größer sind als die Moleküle eines typischen Metallchelatkomplexes, führt der Zielkonflikt „geringe Beimengung im Kunststoff - hohe Keimdichte nach Laserbestrahlung" hier zu erheblich größeren Problemen als bei der Bekeimung über laserspaltbare Metallchelatkomplexe.
Durch die WO 00 35 259 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung von feinen metallischen Leiterbahnstrukturen auf einem elektrisch nichtleitenden Trägermaterial beschrieben, bei dem ein elektrisch nicht leitender Schwermetallkomplex, der mit organischen Komplexbildnern aufgebaut ist, auf das Trägermaterial aufgebracht oder in das Trägermaterial eingebracht wird, das Trägermaterial im Bereich der zu erzeugenden Leiterbahtstrukturen selektiv einer UV-Strahlung ausgesetzt wird, wobei Schwermetallkeime freigesetzt werden und dieser Bereich chemisch reduktiv metallisiert wird. Dabei ist eine Feinstrukturierung der Leiterbahnen mittels eines vereinfachten und sicheren Verfahrens möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einfach und sicher herzustellende Leiterbahnstrukturen auf Schaltungsträgern zur Verfügung zu stellen, die einen vergleichsweise geringen Anteil keimbildende Zusätze enthalten und zudem auch bei Löttemperaturen stabil sind und ferner ein einfaches und sicheres Verfahren zur Herstellung von Leiterbahnstrukturen zu schaffen, wobei ein Compoundieren bzw. Spritzgießen auch moderner Hochtemperatur-Kunststoffe möglich sein soll.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9 gelöst. Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Indem die nichtleitenden Metallverbindungen von thermisch hochstabilen, in wässrigen sauren oder alkalischen Metallisierungsbädern beständigen und nicht löslichen anorganischen Oxiden, die höhere Oxide mit der Struktur der Spinelle sind oder einfache d-Metalloxide oder deren Gemische oder Gemischtmetallverbindungen sind, die den Spinellstrukturen verwandt sind, gebildet sind, wir erreicht, daß diese auch in nicht bestrahlten Bereichen unverändert auf der Oberfläche des Trägermaterials verbleiben können. Die eingesetzten anorganischen Oxide sind derart temperaturbeständig, daß sie nach Einwirkung der Löttemperaturen stabil bleiben, d. h. nicht etwa elektrisch leitend werden und in den für die Metallisierung eingesetzten Bädern stabil bleiben. Auch beim selektiven Lasersintern von Kunststoffpulvern, welches in der Praxis unter dem Oberbegriff des "rapid prototyping" als selektives Lasersintern an sich bekannt ist, sind die eingesetzten anorganischen Oxide außerordentliche temperaturbeständig, so dass beim lokalen Aufschmelzen des pulverförmigen Ausgangsmaterials ein Bauteil hergestellt werden kann, das ebenfalls nicht elektrisch leitend und in den für die Metallisierung eingesetzten Bädern stabil ist. Ebenso sind Verfahren denkbar, bei denen das Bauteil aus der flüssige Phase hergestellt wird. Dabei umfasst der Begriff "Leiterbahnstruktur" auch den Grenzfall der in der Elektrotechnik häufig zu Abschirmzwecken realisierten vollflächigen Metallisierung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungεform der Erfindung ist es vorgesehen, daß mittels einer elektromagnetischen Strahlung gleichzeitig Schwermetallkeime freigesetzt sind und ein Abtrag unter Ausbildung einer haftvermittelnden Oberfläche erfolgt ist. Hierdurch ist mit einfachen Mitteln eine hervorragende Haftfestigkeit der abgeschiedenen metallischen Leiterbahnen erzielt worden.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die anorganischen Oxide Kupfer enthalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß das nichtleitende Trägermaterial neben wenigstens einem Spinell wenigstens einen organischen thermisch stabilen Metallchelatkomplex enthält.
Vorzugsweise ist das elektrisch nichtleitende Trägermaterial ein thermoplastischer oder ein duroplastischer Kunststoff. Das nichtleitende Trägermaterial kann einen oder mehrere anorganische Füllstoffe enthalten, die beispielsweise von Kieselsäure und/oder Kieselsäurederivaten gebildet sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dadurch, daß thermisch hochstabile, in wässrigen sauren oder alkalischen Metallisierungsbädern beständige und nicht lösliche, nicht leitende hö- here Oxide auf der Basis von Spinelle in das Trägermaterial eingemischt werden, daß das Trägermaterial zu Bauteilen verarbeitet oder auf Bauteile als Beschichtung aufgetragen wird und daß im Bereich der zu erzeugenden Leiterbahnstrukturen mittels einer elektromagnetischen Strahlung Schwermetallkeime freigesetzt und diese Bereiche dann chemisch reduktiv metalli- siert werden, insbesondere auch erreicht worden, daß die anorganische Metallverbindung in Form der höheren Oxide auf der Basis von Spinelle auch in den nicht bestrahlten Bereichen auf der Oberfläche des Trägermaterials verbleiben kann. Die eingesetzten anorganischen Oxide sind im übrigen derart temperaturbeständig, daß ein Compoundieren bzw. Spritzgießen auch moderner Hochtemperatur-Kunststoffe möglich ist. Außerdem bleiben diese auch nach Einwir- kung der Löttemperaturen stabil, d. h. sie werden nicht etwa elektrisch leitend und bleiben in den für die Metallisierung eingesetzten Bädern stabil.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß mittels der elektromagnetischen Strahlung gleichzeitig Schwermetallkeime freigesetzt sind und ein Abtrag unter Ausbildung einer haftvermittelnden Oberfläche erfolgt ist. Hierdurch kann mit einfachen Mitteln eine hervorragende Haftfestigkeit der abgeschiedenen metallischen Leiterbahnen erzielt werden.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die anorganischen Oxide Kupfer enthalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß das nichtleitende Trägermaterial neben wenigstens einem anorganischen Oxid wenigstens einen organischen thermisch stabilen Metallchelatkomplex enthält.
Vorzugsweise ist das nichtleitende Trägermaterial ein thermoplastischer oder ein duroplastischer Kunststoff. Das Trägermaterial kann jedoch durchaus auch von anderen geeigneten nichtleitenden Materialien wie z. B. von einem Keramikwerkstoff gebildet sein. Das nichtleitende Trägermaterial kann im übrigen einen oder mehrere anorganische Füllstoffe enthalten, die beispielsweise von Kieselsäure und/oder Kieselsäurederivaten gebildet sind.
Vorteilhaft ist es, wenn zur Freisetzung der Schwermetallkeime die elektromagnetische Strahlung eines Lasers eingesetzt wird. Die Wellenlänge des Lasers kann vorzugsweise 248 nm, 308 nm, 355nm, 532 nm, 1064nm oder auch 10600 nm betragen.
Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert: Es werden in einem Extruder 70 Masseteile Polybuthylentherephthalat, 25 Masseteile einer pyrogenen Kieselsäure mit einer BET-Oberfläche von 90 m2/g und 5% des kupferhaltigen Spinells PK 3095 der Firma Ferro GmbH compoundiert. Das Granulat wird im Spritzgießverfahren zu einem Bauteil, z. B. dem Gehäuse eines Handys verarbeitet. Das Gehäuse wird dann im Bereich der aufzubringenden Leiterbahnen einer Laserstrahlung, die von einem diodengepumpten Nd:YAG-Laser erzeugt wird, mit einer Intensität bestrahlt, die einen geringfügigen Abtrag erzeugt, der mit einer strukturierten Bekeimung verbunden ist. Nach kurzer Behandlung in einem demineralisiertes Wasser enthaltenden Ultraschall-Reinigungsbad wird das Gehäuse in ein handelsübliches chemisch reduktives Verkupferungsbad gehängt. Hier werden in den be- strahlten Bereichen die Leiterbahnen aufgebaut.
Grundsätzlich ist zu bemerken, daß in der Fachwelt einfache anorganische Verbindungen von Metallen und Nichtmetallen wie Karbide, Nitride, Oxide oder Sulfide als stabil und als nur unter hoher Energiezufuhr bei gleichzeitiger Anwesenheit eines reduzierenden Mediums in elementa- res Metall überführbar gelten. Unter Umgebungsatmosphäre wird darüber hinaus, vor allem bei Nichtedelmetallen, eine sofortige Reaktion eventuell entstehenden Metalls mit dem Luftsauerstoff zu Metalloxid erwartet. Um so überraschender ist die erfindungsgemäße Erkenntnis, daß Metalloxide mit der Struktur der Spinelle, die feinstverteilt in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind, unter gewöhnlicher Umgebungsatmosphäre mit einem Nd:YAG-Laser freigelegt und zu Metall reduziert werden können. Offenbar entfalten die sich gleichzeitig bildenden gasförmigen Zersetzungsprodukte des Kunststoffes während der sehr energiereichen, aber auch sehr kurzen Laserpulse eine hinreichende Abschirmungswirkung über den entstandenen Metallkeimen.

Claims

Patentansprüche
1. Leiterbahnstrukturen auf einem nichtleitenden Trägermaterial, die aus Metallkeimen und einer nachfolgend auf diese aufgebrachten Metallisierung bestehen, wobei die Metallkeime durch Aufbrechen von feinstverteilt in dem Trägermaterial enthaltenen nichtleitenden Metallverbindungen durch elektromagnetische Strahlung entstanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitenden Metallverbindungen von thermisch hochstabilen, in wässrigen sauren oder alkalischen Metallisierungsbädern beständigen und nicht löslichen anorganischen Oxiden, die höhere Oxide mit der Struktur der Spinelle sind oder einfache d- Metalloxide oder deren Gemische oder Gemischtmetallverbindungen sind, die den Spinellstrukturen verwandt sind, gebildet sind, und die in nicht bestrahlten Bereichen unverändert verbleiben.
2. Leiterbahnstrukturen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer elektro- magnetischen Strahlung gleichzeitig Schwermetallkeime freigesetzt sind und ein Abtrag unter Ausbildung einer haftvermittelnden Oberfläche erfolgt ist.
3. Leiterbahnstrukturen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Oxide Kupfer enthalten.
Leiterbahnstrukturen nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermaterial neben wenigstens einem Spinell wenigstens einen organischen thermisch stabilen Metallchelatkomplex enthält.
5. Leiterbahnstrukturen nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermaterial ein thermoplastischer Kunststoff ist.
6. Leiterbahnstrukturen nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermaterial ein duroplastischer Kunststoff ist.
7. Leiterbahnstrukturen nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermaterial einen oder mehrere anorganische Füllstoffe enthält.
8. Leiterbahnstrukturen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermaterial als Füllstoff Kieselsäure und/oder Kieselsäurederivate enthält.
9. Verfahren zur Herstellung der Leiterbahnstrukturen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß thermisch hochstabile, in wässrigen sauren oder alkalischen Metallisierungsbädern beständige und nicht lösliche, nicht leitende höhere Oxide auf der Basis von Spinelle in das Trägermaterial eingemischt werden, daß das Trägermaterial zu Bauteilen verarbeitet oder auf Bauteile als Beschichtung aufgetragen wird und daß im Bereich der zu erzeugenden Leiterbahnstrukturen mittels einer elektromagnetischen Strahlung Schwermetallkeime freigesetzt und diese Bereiche dann chemisch reduktiv metallisiert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der elektromagnetischen Strahlung gleichzeitig die Schwermetallkeime freigesetzt werden und ein Abtrag unter Ausbildung einer haftvermittelnden Oberfläche erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinelle Kupfer enthalten.
12. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermaterial neben wenigstens einem anorganischen Oxid wenigstens einen organischen thermisch stabilen Metallchelatkomplex enthält.
13. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermaterial ein thermoplastischer Kunststoff ist.
14. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermaterial ein duroplastischer Kunststoff ist.
15. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermaterial einen oder mehrere anorganische Füllstoffe enthält.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtleitende Trägermateri- al als Füllstoff Kieselsäure und/oder Kieselsäurederivate enthält.
17. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung eines Lasers eingesetzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung eines Lasers mit der Wellenlänge 248 nm eingesetzt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung eines Lasers mit der Wellenlänge 308 nm eingesetzt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung eines Lasers mit der Wellenlänge 355 nm eingesetzt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung eines Lasers mit der Wellenlänge 532 nm eingesetzt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung eines Lasers mit der Wellenlänge 1064 nm eingesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 9 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Strahlung eines Lasers mit der Wellenlänge 10600 nm eingesetzt wird.
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