WO2005087497A2 - 3d-inkjet-strukturierung von hochtopografischen oberflächen - Google Patents

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Abstract

Die hochtopografische Oberfläche (2) eines elektronischen Bauteils (1) wird in einem Tintenstrahl-Druckverfahren mit einer Schicht (8) versehen. Dabei werden einige Bereiche (10) verstärkt bedruckt.

Description

3D-Inkjet-Strukturierung von hochtopografischen Oberflächen
Oberflächen von elektronischen Bauteilen, wie etwa Schaltungsträgern mit darauf angeordneten Bauelementen, mit starker Topografie lassen sich in der Regel nur schlecht mit Coa- ting-Verfahren, wie etwa Spray-, Spin-, Elektrodepositions— oder Tauchverfahren, beschichten.
Dabei ergeben sich insbesondere folgende Nachteile: schlechte Abdeckung von Kanten und Ecken, inhomogene Schichtdicken, Instabilitäten bei galvanischen Prozessen, Auffüllen von tiefer liegenden Strukturen, ganzflächige Beschichtung, Notwendigkeit mehrerer Nachfolgeprozesse (zum Beispiel Belichtung, Entwicklung) für eine Strukturierung.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Beschichten von Oberflächen elektronischer Bauteile zu ermöglichen, wobei die Nachteile von Coating-Verfahren vermieden werden .
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Dementsprechend wird in einem Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils mittels eines Druckverfahrens eine Schicht in Form von Flüssigkeitstropfen aufgebracht. Dabei werden definierte Bereiche der Oberfläche verstärkt bedruckt . Es erfolgt also kein homogener Druck über die gesamte Oberfläche, sondern es wird an den definierten Bereichen mehr Druckmaterial in Form von Flüssigkeitstropfen aufgebracht.
Wodurch die definierten Bereiche definiert werden, hängt von der jeweiligen Anwendung des Verfahrens ab. So kann beispielsweise die Oberfläche eine Topografie aufweisen, also Erhebungen und Vertiefungen, und die definierten Bereiche sind Bereiche mit konkaver und/oder konvexer Topografie, also solche, in denen die Oberfläche nicht plan verläuft.
Das Verfahren ist besonders für die Strukturierung von Oberflächen mit starker Topografie geeignet, das heißt Oberflä- chen mit Erhebungen zwischen 5 um und 2000 um, insbesondere zwischen 200 μ und 2000 μm. Elektronische Bauteile, für die das Verfahren einsetzbar ist, sind etwa Chips, Sensoren, Aktoren, MEMS, aktive oder passive Bauelemente, DCBs, Leiterplatten oder Kombinationen derselben. Die Schicht kann eine permanente oder temporäre Beschichtung sein, beispielsweise als Isolierung, Lötstopplack, Planarisierung, Korrosionsschutz und/oder UV-Schutz.
Die Oberfläche kann insbesondere Kanten aufweisen, und die definierten Bereiche können diese Kanten sein, insbesondere Außenkanten, an denen durch Coating—Verfahren keine ausreichende Überdeckung gewährleistet wird. Hier kann durch verstärktes Bedrucken die Schichtdicke erhöht werden, um beispielsweise eine ausreichende Abdeckung und/oder Durch- Schlagsfestigkeit zu gewährleisten.
Es sind unterschiedliche Konzepte vorstellbar, wie man die definierten Bereiche verstärkt bedrucken kann.
Einmal ist ein verstärktes Bedrucken dadurch möglich, dass die definierten Bereiche mehrfach bedruckt werden, indem sie beispielsweise mit der Druckvorrichtung mehrfach angefahren und jeweils mit Flüssigkeitstropfen beaufschlagt werden. Dazu πrnss die Druckvorrichtung über eine geeignete Steuerung ver- fügen, mittels der das Layout des herzustellenden elektronischen Bauteils berücksichtigt werden kann. Diese Vorgehens— weise hat den Vorteil, dass die Flüssigkeitstropfen zwischen den einzelnen Druckvorgängen abtrocknen bzw. aushärten können und beim nächsten Druckvorgang eine Oberfläche mit einer weniger scharfen Kante vorgefunden wird.
Alternativ oder ergänzend können die definierten Bereiche verstärkt bedruckt werden, indem die Ausstoßfrequenz variiert wird, mit der die Flüssigkeitstropfen von der Druckvorrichtung ausgestoßen werden.
Alternativ oder ergänzend können die definierten Bereiche verstärkt bedruckt werden, indem die Druckvorrichtung, die die Flüssigkeitstrop en ausstößt, an den definierten Bereichen länger verweilt als an anderen zu bedruckenden Bereichen der Oberfläche.
Alternativ oder ergänzend sind die definierten Bereiche verstärkt bedruckbar, indem Flüssigkeitstropfen unterschiedlicher Größe druckbar sind und die definierten Bereiche mit größeren Flüssigkeitstropfen bedruckt werden als andere zu bedruckende Bereiche.
Übliche Oberflächen von elektronischen Bauteilen setzen sich zum großen Teil aus horizontalen und vertikalen Flächen zusammen. Dabei lassen sich die horizontalen Flächen sehr ein- fach aus der Normalenrichtung der Oberfläche bedrucken. Vertikale Flächen werden dabei aber oft nur beiläufig abgedeckt, 'was insbesondere Probleme bereiten kann, wenn die Oberfläche eine starke Topografie hat. Hier kommt es oftmals zu unzureichenden Überdeckungen der vertikalen Flächen, also beispiels- weise der Flächen eines Bauelements, die senkrecht zum Substrat verlaufen, auf dem das Bauelement angeordnet ist.
Um dieses Problem zu umgehen, wird vorzugsweise die Ausstoßrichtung variiert, in der die Flüssigkeitstropfen ausgestoßen werden. Dies kann durch ein relatives Verschwenken der Druckvorrichtung gegenüber der Oberfläche geschehen, was sich ent- weder durch ein Verschwenken des Bauteils, der Druckvorrichtung oder von beidem realisieren lässt.
Die Oberfläche wird insbesondere von einem Substrat gebildet, etwa von einem Schaltungsträger. Alternativ oder ergänzend kann die Oberfläche durch ein Substrat und eine darauf angeordnete Leiterstruktur gebildet werden. Insbesondere in der Leistungstechnik sind die Leiterstrukturen zum Teil höher als auf denselben Schaltungsträgern verwendete kleinere Bauele- mente, so dass die starke Topografie mit oder sogar maßgeblich durch die LeitungsStrukturen hervorgerufen wird.
Alternativ oder ergänzend kann die Oberfläche durch ein Substrat und ein darauf angeordnetes Bauelement gebildet sein.
Eine Druckvorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der zuvor beschriebenen Arten durchzuführen, weist Mittel auf, um eine Schicht in Form von Flüssigkeitstropfen mittels eines Druckverfahrens auf eine Oberfläche aufzubrin- gen. Die Druckvorrichtung ist dabei so eingerichtet, dass definierte Bereiche der Oberfläche verstärkt bedruckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der Druckvorrichtung ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens .
Eine Druckvorrichtung zum Bedrucken einer Oberfläche eines elektronischen Bauteils weist Mittel zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen und Mittel zum Variieren der relativen Ausstoßrichtung der Flüssigkeitstrop en gegenüber dem Bauteil auf.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Figuren 1 bis 6 Verfahrensschritte einer 3D-inkjet- Strukturierung einer hochtopografisehen Oberfläche. Mittels eines Druckverfahrens, beispielsweise Drop-on-Demand oder Hochdruckverfahren, wird lokal ein Flüssigkeitstropfen auf eine definierte Position aufgebracht und sofort verfestigt. Das sofortige Verfestigen geschieht beispielsweise durch UV-Licht, thermisch (Hot-Melt) , Abdampfen von Lösemittel und/oder thermische Vernetzung durch eine geheizte Oberfläche etwa in Form eines geheizten Substrats.
Durch mehrmaliges Aufbringen eines Tropfens an der gleichen Stelle wird im definierten Bereich die gewünschte Schichtdicke erreicht.
Alternativ kann bei konstanter Tropfen requenz die Druckgeschwindigkeit variiert werden, um die gewünschte Dicke zu er- reichen.
Alternativ dazu kann auch die Tropfengröße und damit die Flüssigkeitsmenge beispielsweise durch Impulsvariationen variiert bzw. moduliert werden.
Unterschiedliche Flüssigkeitsmengen können auch durch unterschiedlich große Düsenöffnungen, beispielsweise auch aus verschiedenen Druckköpfen, appliziert werden.
Dabei können auch unterschiedliche Flüssigkeiten synchron o- der asynchron aufgebracht werden. Der Flüssigkeitsvorrat kann hierbei mit dem Druckkopf mitbewegt werden oder in einem separaten stationären Behälter untergebracht sein.
Steile Wände oder Flanken, also vertikale Flächen, können mittels schwenkbarer Austrittsöffnung, über Substratverkip— pung oder über eine geeignete Druckvorrichtung mit einem Tin- tenstrahlkopf mit seitlichen Austrittsöffnungen beschichtet werden .
Das Aufbringen der Flüssigkeit kann mit oder ohne Modulation des Abstandes zwischen Druckkopf und Substrat erfolgen, um eine größtmögliche Positioniergenauigkeit des Flüssigkeitstropfens zu erreichen. Die Modulation kann über eine Bewegung des Druckkopfes, eine Bewegung des Substrats oder durch eine Kombination aus beiden Bewegungen erfolgen.
Das Verfahren ist additiv und lässt sich seriell oder parallel realisieren.
Figur 1 zeigt eine Oberfläche eines Substrates 1 mit starker Topografie. Die starke Topografie der Oberfläche des Substrates 1 ergibt sich aus der Tatsache, dass im Substrat 1 ein Graben 2 verläuft . Durch diesen Graben 2 werden in der Oberfläche des Substrats 1 zwei Außenkanten 3, 4 und zwei Innenkanten 5, 6 gebildet, die jeweils einen Winkel von etwa 90 Grad aufweisen.
Auf die Oberfläche ist beispielsweise durch Bedampfen oder Sputtern eine Startschicht 7 aufgebracht, durch die die Oberfläche metallisiert ist.
Im nächsten, in Figur 2 dargestellten Schritt, wird auf die auf der Oberfläche des Substrats 1 angeordnete Startschicht 7 ganzflächig eine Schicht 8 in Form von Flüssigkeitstropfen mit einer Druckvorrichtung 11 au gebracht .
Anschließend wird die Schicht 8, wie in Figur 3 dargestellt, in einem Bereich, in dem das Substrat 1 später eine leitende Struktur aufweisen soll, mit einer Öffnung 9 versehen.
Statt die Schicht 8 nachträglich mit einer Öffnung 9 zu versehen, kann die Oberfläche auch direkt strukturiert beschichtet werden, so dass der Öffnungsschritt entfällt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Öff- nung 9 über eine Außenkante 3 und eine Innenkante 5 des Grabens 2 im Substrat 1. Andererseits werden die andere Innenkante 6 und die andere Außenkante 4 des Grabens 2 des Sub- strats 1 weiterhin von der Schicht 8 bedeckt, so dass dort keine Verstärkung der Startschicht 7 erfolgen kann.
Im in Abbildung 4 dargestellten Verfahrensschritt wird die Startschicht im Bereich der Öffnung 9 der Schicht 8 durch eine Verstärkung 10 verstärkt. Das Verstärken kann galvanisch oder stromlos geschehen, also allgemein durch elektrochemische Abscheidung.
Danach wird zunächst die Schicht 8 entfernt und schließlich die Startschicht 7 außerhalb des Bereiches ihrer Verstärkung 10. Dies ist in Figur 5 dargestellt.
Das verfahren weist folgende Vorteile auf: Die Schichtdicke lässt sich für jeden Punkt der Oberfläche definiert aufbringen; dadurch können Schwachstellen beispielsweise bei galvanischen Prozessen gezielt verstärkt werden, homogene, wohl definierte Schichtdicke über die gesamte Oberfläche, gute Abdeckung von Ecken und Kanten, gute Abdeckung von Seitenflächen/Flanken, kostengünstig, da in einem Prozessschritt eine strukturierte Schicht aufgebracht wird, - kostengünstig, da die Tintenmenge den Anforderungen ange- passt werden kann (Tropfengröße) , hohe Positioniergenauigkeit aufgrund der Abstandsmodulation zum Substrat, hohe Flexibilität und Geschwindigkeit durch Verwendung mehrerer Druckköpfe mit gleichen oder unterschiedlichen Flüssigkeiten, durch Verwendung geeigneter Druckköpfe lassen sich gleichzeitig unterschiedliche Materialien aufbringen, beispielsweise permanente und temporäre Beschichtung, transparente und nicht transparente Beschichtung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils, bei dem eine Schicht (8) mittels eines Druckverfahrens mit Flüssigkeitstropfen auf eine Oberfläche aufgebracht wird, bei dem definierte Bereiche (3, 4) der Oberfläche verstärkt bedruckt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche eine Topografie aufweist und die definierten Bereiche (3, 4) Bereiche mit konkaver und/oder konvexer Topografie sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche Kanten (3, 4, 5, 6) aufweist und die definierten Bereiche (3, 4) Kanten sind, insbesondere Außenkanten.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die definierten Bereiche (3, 4) verstärkt bedruckt werden, indem sie mehrfach bedruckt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die definierten Bereiche (3, 4) verstärkt bedruckt werden, indem die Ausstoßfrequenz, mit der die Flüssigkeits— tropfen ausgestoßen werden, beim Bedrucken der definierte Bereiche (3, 4) erhöht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die definierten Bereiche (3, 4) verstärkt bedruckt werden, indem die Druckvorrichtung (11) , die die Flüssigkeitstropfen ausstößt, an den definierten Bereichen (3, 4) länger verweilt als an anderen zu bedruckenden Bereichen gleicher Größe.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die definierten Bereiche (3, 4) verstärkt bedruckt werden, indem Flüssigkeitstropfen unterschiedlicher Größe druckbar sind und die definierten Bereiche (3, 4) mit größe- ren Flüssigkeitstropfen bedruckt werden, als andere zu bedruckende Bereiche .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die AusStoßrichtung, in der die Flüssigkeitstropfen ausgestoßen werden, variiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche durch ein Substrat gebildet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche durch ein Substrat sowie eine darauf angeordnete Leitungsstruktur und/oder ein darauf angeordnetes Bauelement gebildet wird.
11. Druckvorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
12. Druckvorrichtung zum Bedrucken einer Oberfläche eines e- lektronischen Bauteils mit Mitteln zum Ausstoßen von Flüssig- keitstropfen, gekennzeichnet durch Mittel zum Variieren der relativen AusStoßrichtung der Flüssigkeitstropfen gegenüber dem elektronischen Bauteil.
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