DE19544480A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Leiterplatten gemäß der Gattung der Patentansprüche 1 und 11, sowie eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Leiterplatte.

Bekannt ist es bspw. durch die DE 33 35 184 A1, ein Substrat (Epoxy- oder Hartpapier) mit einer dünnen Folie aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise Kupfer, unter Zwischenschaltung eines Haft­ mittels zu belegen. Das Haftmittel sorgt nach einem Tempervorgang für eine lötbare Verbindung zwischen dem elektrisch leitfähigen Material und dem Substratmaterial. Die Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials wird mit einem Fotolack versehen, auf dem durch Auflegen einer Fotomaske, eines entsprechenden Layouts, und anschließende Belichtung Leiterbahnstrukturen fixierbar sind. Nach der fotografischen Entwicklung und Neutralisierung sowie der Reinigung im Wasserbad sind die Teile des elektrischen Materials von der Fotolackschicht befreit, die vorher nicht fixiert worden waren. Vorzugsweise durch chemisches Ätzen wird das für die Leiterführung nicht benötigte elektrisch leitfähige Material entfernt. Danach wird der entlang der Leiter stehengebliebene fixierte Fotolack beseitigt, die nunmehrige Oberfläche des Substrats getrocknet und versiegelt und die so gewonnene Leiterplatte für die Bestückung mit elektronischen Komponenten vorbereitet. Die Vielzahl der angegebenen Arbeitsgänge verdeutlicht die Langwierigkeit und Umständlichkeit des Verfahrens. Darüber hinaus entstehen bei diesem Verfahren umweltbelastende Substanzen in Form von Laugen, Säuren und Lösungsmitteln, deren Entsorgung mit einem relativ hohen Aufwand betrieben werden muß. Ebenso ist ein erheblicher Aufwand zur Rückgewinnung des nicht benötigten elektrisch leitfähigen Materials erforderlich. Auch ist das mit Fotolack vorbereitete Grundmaterial zu entsorgen, das mit Plastikfolie vor UV-Lichteinfluß geschützt werden muß und wegen Überlagerung seinem eigentlichen Verwendungszweck nicht zugeführt werden kann.

Bekannt ist auch die Bearbeitung von Leiterplatten mit energiereichen Strahlen und die zu entfernende elektrisch leitfähige Schicht freigebenden Masken, siehe DE 36 29 822 A1. Auch in diesem Fall ist das Verfahren umständlich, weil zunächst das gesamte Substrat haftfest mit einer elek­ trisch leitfähigen Schicht zu bedecken ist und danach Haftschicht und Leitschicht in großen Teilen wieder zu entfernen sind. Außerdem kommt es beim Abtragen der vorher aufgebrachten Schichten auch zu Abtra­ gungen aus der Oberfläche des Substrats und damit zu unerwünschten Materialvermengungen und Materialverlusten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten zu schaffen, das hinsichtlich seiner Anwen­ dung einfach, seines Materialverbrauchs sparsam, seiner Nachbehand­ lungsphase kurz und seiner ökologischen Verträglichkeit günstig ist. Es soll die erforderlichen Arbeitsgänge bei der Leiterplattenherstellung reduzieren und die Entstehung von umweltbelastenden Substanzen bzw. Substanzgemischen vermeiden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Es wird also nur das für die Leiterbahnführung auf dem Substrat erforderliche elektrisch leitfähige Material in der gewünschten Struktur aus der vorhandenen Materialfolie herausgetrennt, mit einem Haftmaterial versehen und in einem Arbeits­ gang auf das Substrat aufgebracht. Das kann sowohl durch Schaffung von Isolationskanälen in einer ganzflächig verwendeten bzw. aufgeklebten Folie als auch durch flächenhaftes Verdampfen des nicht benötigten Leitermaterials als auch durch die Kombination dieser beiden Varianten geschehen. Dabei kann überflüssiges Material mit einer Vakuumpipette abgehoben werden. Für eine gute Haftverbindung zwischen dem Substrat und der strukturierten Folie sind sowohl der Kleber als auch die Klebseite der Folie von Bedeutung; sie bedürfen einer gewissen Auswahl bzw. Vorbehandlung. Als Kleber können bspw. Epoxidharze, Härter und Beschleuniger der Fa. Ciba Geigy Verwendung finden. Bei Verwendung einer Kupferfolie ist es vorteilhaft, diese an ihrer Klebseite mit einem Haftvermittler, z. B. einer Trimentschicht (Zinkschicht), für einen Epoxidkleber oder einen schnellhärtenden Kontaktkleber zu versehen.

Auch können zwischen der leitfähigen Schicht und dem Substrat in der Leiterplattenindustrie übliche "Prepegs" verwendet werden, die mit Epoxidharz vorbehandelte Gewebeplatten darstellen. Bei Erwärmung auf 180°C über 120 s entsteht so eine gute Verbindung zwischen Träger und Folie. Wird eine Kupferfolie als leitende Schicht verwendet, kann sie bspw. eine Dicke von 70, 35 oder 18 µm haben.

Das Heraustrennen der gewünschten Struktur aus der Folie erfolgt mittels Laser, vorzugsweise Infrarotlaser, oder mittels anderer energiereicher Strahlen; es kann auch mit Hilfe eines Wasserstrahls oder durch Fräsen, Sägen, Ritzen etc. vorgenommen werden und findet entweder zeitlich und örtlich getrennt vom Belegungsvorgang oder in einem Arbeitsgang mit der Belegung, unmittelbar vor dieser statt. Beim Strukturieren der Folie aus elektrisch leitfähigem Material haftet diese vorzugsweise an einem zylindrischen Körper (Walze, Trommel) durch Saugen oder Kleben. Dabei wird zwischen die Folie und den Zylinder, der bspw. aus Glas besteht, eine die Haftwirkung unterstützende Zwischenlage, z. B. Seidenpapier oder Tesafolie eingebracht und die Bearbeitung mittels Laserstrahl vorgenommen. Das Material der Zwischenlage ist u. a. vom Folienmaterial, von der Foliendicke und der Laserleistung abhängig. Das überschüssige Folienmaterial kann herausgetrennt und abtransportiert oder flächenhaft verdampft werden. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, die Strukturierung der Folie auf einem ebenen Tisch vorzunehmen und diese in geeigneter Weise auf das Substrat zu übertragen. Bei Verwendung eines Lasers oder mehrerer Laser zum Strukturieren der Metallfolie sind Laserimpulszeit, Vorschub der Folie und Laserenergie auf die Foliendicke und das Folienmaterial abgestimmt.

Ist das Substrat mit mehreren leitfähigen Schichten übereinander zu bele­ gen, so findet der Belegungsvorgang mehrmals hintereinander, ggf. mit voneinander abweichenden Strukturen statt, wobei allerdings zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgende Schichten eine entsprechende Isolier­ schicht anzuordnen ist. Beim automatisierten oder teilautomatisierten Strukturieren der elektrisch leitfähigen Schicht können die Layout-Daten nach den bekannten Methoden der Datenverarbeitung in den Bearbei­ tungsautomaten eingegeben werden. Damit ist es erstmals möglich mit einer entsprechenden Entflechtungssoftware ein Layout zu gestalten, bestehende Daten per Diskette über den Vernetzungsweg oder Modem dem Automaten zuzuführen und so die Leiterplatte herzustellen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, schon existierende Layout-Strukturen von Papier oder anderem Material einzuscannen und maschinengerechte Daten mit Hilfe eines Vektorisierungsprogramms zu erzeugen. Auch stehen zum Strukturieren der elektrisch leitfähigen Schichten speziell entwickelte Automaten mit hoher mechanischer Auflösung zur Verfügung, die eine Optimierung der Struktur erst beim Heraustrennen, ihre Positionierung erst beim Belegen des Substrats vornehmen, die Steuerprogramme für die Strukturierungs- und Übertragungseinheiten enthalten und Gestaltungsmöglichkeiten in mehr als einer Ebene berücksichtigen. Den so gewonnenen Strukturen können auf dem Substrat diskrete Bauelemente zugeordnet werden.

Die Zuführung und Aufbringung der elektrisch leitfähigen Schicht, vorzugsweise der Kupferschicht, auf das Substrat oder Basismaterial erfolgt mit einer Transporteinrichtung, welche die herausgetrennten Leiterbahnen auf einer Walze oder einem Bearbeitungstisch elektro­ statisch, vakuumtechnisch oder mit anderen Haftmöglichkeiten fixiert. Die Transporteinrichtung selbst kann auf mechanischem, magnetischem, hydraulischem oder pneumatischem Weg bewegt werden. Beim Belegen des Basismaterials mit der strukturierten Schicht bzw. Folie wird zwischen letztere und das Substrat an den relevanten Verbindungsstellen ein Haftmittel aufgebracht, das nur an diesen Stellen für eine lötbare Verbindung zwischen der Folie und dem Substrat sorgt. Das Haftmittel kann aber auch flächig auf das Substrat aufgetragen und danach die strukturierte Schicht aufgebracht werden, wenn die Haftschicht gleich­ zeitig der Versiegelung dient. Vorteilhaft erfolgt die Übertragung der strukturierten Folie auf das Substrat durch Abrollen der Walze von einem definierten Anfang an, so daß Verformungen der strukturierten Folie bei ihrem Aufbringen nicht eintreten können. Nach dem erfindungsgemäßen Aufbringen der Leiterbahnen auf das Substrat steht die fertige Leiterplatte ohne chemische Nach- oder Weiterbehandlung zur Bestückung mit Bau­ elementen bzw. zum Einbau in eine Schaltung oder ein Gerät zur Verfü­ gung.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorrich­ tung geeignet, die auf einer festen Grundplatte eine Strahlungsquelle für energiereiche Strahlen und eine Walze als Träger der zu strukturierenden Schicht in vier Bewegungsrichtungen relativ zueinander bewegbar auf­ weist und bei der ein Tisch als Träger des Substrats parallel zur und auf der Grundplatte in zwei Richtungen verstellbar angeordnet ist, die zumin­ dest annähernd mit zwei Bewegungsrichtungen der Relativbewegungen zwischen der Strahlungsquelle und der Walze übereinstimmen. Vorteilhaft ist die Strahlungsquelle ein Laser. Zwischen der Strahlungsquelle und der Walze kann ein flexibler Wellenleiter angeordnet sein. Es ist günstig, die Walze um eine Achse X-X drehbar zu lagern und das in der Nähe dieser Walze angeordnete Ende des Wellenleiters in drei Koordinaten bewegbar zu lagern.

Die Erfindung ermöglicht in einfacher Weise die Schaffung von räum­ lichen Strukturen, die Realisierung der Feinstleitertechnik bis zu 5 µm Breitenauflösung und bisher nicht zu realisierenden Gestaltungsmöglich­ keiten bei der Leiterplattenherstellung. Sie führt nicht nur zur Verringe­ rung der Aufwendungen durch das Vermeiden von Ätzvorgängen, sondern auch zur Einsparung von Energie, zu deren Erzeugung bekannt­ lich umweltbelastende Verbrennungsvorgänge erforderlich sein können. Die Qualität der Auflösung wird insbesondere durch das Material und die Dicke der Folie, die Frequenz und die Leistung des Lasers sowie die Schneidgeschwindigkeit bestimmt. Durch eine exakte Abstimmung aller für die Schneidqualität (Auflösung) bestimmenden Faktoren aufeinander lassen sich Auflösungen < 5 µm erreichen.

In der schematischen Zeichnung ist eine zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens günstige, vorzugsweise von einem nicht dargestellten Computer gesteuerte Vorrichtung perspektivisch dargestellt. Auf einer rechteckigen oder quadratischen Grundplatte 1 sind an ihren Ecken Lagerkörper 2, 3, 4, 5 befestigt, von denen jeweils zwei Lager­ körper 2, 4 und 3, 5 gemeinsam eine Führung 6 halten und an den beiden größeren Lagerkörpern 4, 5 Lager 8, 9 für eine um eine zur Grundplatte 1 parallele Achse X-X in Richtung eines Doppelpfeils 7 drehbare Walze 10 vorgesehen sind. Entlang der Führungen 6 ist in Richtung eines Doppelpfeils 11 ein Schlitten 12 horizontal verschiebbar gelagert, der seinerseits eine vertikale Schwalbenschwanzführung 13 für einen Trägerschlitten 14 eines als Strukturierungswerkzeug dienenden Lasers 15, vorzugsweise eines YAG-Lasers aufweist. Der Laser 15 bewegt sich mit dem Trägerschlitten 14 in Richtung eines Doppelpfeiles 16. Schließlich sind auf der Grundplatte 1 rechtwinklig zueinander und parallel zur Grundplatte gerichtete Führungen 17 vorgesehen, mit deren Hilfe ein Tisch 18 mit einem Trägermaterial 22 in Richtung von Doppelpfeilen 19, 20 rechtwinklig zur Laserachse O-O verschiebbar gelagert ist. Die elektrischen Anschlüsse des Lasers 15 sowie die Antriebe der Schlitten 12, 14 und des Tisches 18 sind aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen worden. Die Walze 10 besteht vorzugsweise aus Glas und ist an ihrer Oberfläche mit einer Folie 21 versehen, die andeutungsweise dargestellt ist. Sie kann im Bedarfsfall aber auch aus Stahl, Aluminium oder Keramik bestehen.

Im vorstehenden Ausführungsbeispiel arbeiten Laser 15 und Walze 10 zusammen. Auf der Walze 10 wird die zu strukturierende Folie 21 unter Vakuum festgehalten. Zur Strukturgebung wird zunächst der Laser 15 durch Verschieben der Schlitten 12 und 14 entlang ihrer Führungen 6 und 13 sowie der Walze 10 entlang ihrer Achse X-X zwischen den Lagern 8, 9 und durch Drehen der Walze 10 um diese Achse in die Ausgangslage zueinander gebracht. Ebenso wird der Tisch 18 durch Verschieben der Führung 17 parallel zur Grundplatte 1 der Walze 10 geeignet zugeordnet. Danach findet durch progranungesteuerte Verschiebung der Walze 10 entlang der Achse X-X und durch Drehung der Walze 10 um diese Achse, entsprechend einem Layout, eine Relativbewegung zwischen dem Laser 15 und der Walze 10 mit der Folie 21 statt, in deren Verlauf die Folie 21 mit Hilfe des Lasers 15 strukturiert wird. Die aus der Folie 21 herausgetrennten Teile können vorzugsweise zwischen der Walze 10 und dem Tisch 18 entnommen, bspw. abgesaugt werden. Ebenso können die strukturierten Teile der Folie 21 mit einer Haftschicht versehen werden, bevor sie auf das Trägermaterial 22 aufgedrückt bzw. aufgewalzt werden. Es ist auch möglich, die Haftschicht auf dem Trägermaterial 22 ganz­ flächig zu installieren und sie gleichzeitig als Versiegelungsschicht zu nutzen. Wenn das Trägermaterial 22 elektrisch leitend, vorzugsweise metallisch ist, kann mittels Prepregs oder einer anderen Zwischenlage und einem Kleber die Leiterstruktur aufgebracht werden. Laserenergie und Vorschub der zu strukturierenden Folie sind auf das Material und die Dicke der Folie abgestimmt; bspw. kann bei einer Cu-Folie von 18 µm Dicke und einer Laserleistung von 20 W die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Folie und Laser 50-100 mm/s betragen. Durch die Erfindung sind Strukturen bis in den Mikrometerbereich herstellbar. Anstatt des Lasers 15 kann auch nur das Ende eines zwischen Laser 15 und Walze 10 angeordneten Wellenleiters als Sekundärlichtquelle gegenüber der Walze 10 bewegt werden, wodurch nicht nur Massenprobleme, sondern auch kinematische Probleme einfacher gelöst werden können. Das Ende des Wellenleiters in der Nähe der Walze 10 ist in diesem Fall an einem Kreuzschlittensystem mit drei Bewegungskoordinaten befestigt, und die Walze 10 braucht nur um ihre Achse X-X drehbar gelagert zu sein. Das andere Ende des Wellenleiters befindet sich fest am Laser 15.

Anstelle der Walze 10 kann auch ein weiterer ebener Träger oder nur der Tisch 18 verwendet werden, auf dem die Strukturierung vorgenommen und die strukturierte Folie mit dem Substrat verbunden wird. Die Leiter­ bahnen können um die Kanten der Leiterplatte herumgeführt und so Strukturen auf der Vorder- und Rückseite miteinander verbunden werden. Darüber hinaus können den Strukturen der Leiterplatte aktive und passive elektrische Bauelemente zugeordnet werden. Verschlissene Strukturen können regeneriert oder beseitigt und das Substrat mit neuen Strukturen versehen werden.

Bezugszeichenliste

1 Grundplatte
2, 3, 4, 5 Lagerkörper
6, 17 Führungen
7, 11, 16,
19, 20 Doppelpfeile
8, 9 Lager
10 Walze, Zylinder
12 Schlitten
13 Schwalbenschwanzführung
14 Trägerschlitten
15 Laser (Strahlungsquelle)
18 Tisch
21 Folie
22 Substrat (Trägermaterial)
O-O Laserachse
X-X Drehachse

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten, bei dem auf einem Substrat mindestens eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material haftfest aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht elektrisch leitfähigen Materials vor ihrer haftfesten Auf­ bringung auf das Substrat entsprechend einem Layout strukturiert wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Haftmittel nur an den vorgesehenen Verbindungsstellen zwischen der strukturierten Schicht und dem Substrat angeordnet wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auf­ bringung mehrerer strukturierter Schichten übereinander diese durch Isolierschichten voneinander getrennt werden.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbringung der Struktur in die elektrisch leitfähige Schicht auf mechanischem und/oder thermischem Wege erfolgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Struktur auf automatischem oder manuellem Wege er­ folgt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die struk­ turierten Schichten einem Stapel entnommen werden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Band abgetrennt werden.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Übertragen der jeweiligen strukturierten Schicht auf das Substrat eine auf Haft- oder Saugwirkung beruhende Transporteinrichtung ver­ wendet wird.

9. Leiterplatten, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 hergestellt worden sind.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer festen Grundplatte (1), mindestens eine Strahlungsquelle (15) für energiereiche Strahlen und eine Walze (19) als Träger der zu strukturierenden Schicht (21) in vier Bewegungsrichtungen relativ zueinander bewegbar gelagert sind, und daß ein Tisch (18) als Träger eines Substrats (22) auf der Grundplatte (1) und parallel zu dieser in zwei Richtungen verstellbar angeordnet ist, die zumindest annähernd mit zwei Bewegungsrichtungen der Relativbewegung zwischen der Strahlungsquelle (15) und der Walze (10) übereinstimmen.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (15) ein Laser ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strählungsquelle (15) und der Walze (10) ein flexibler Wellenleiter angeordnet ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (10) um eine Achse (X-X) drehbar und daß das in der Nähe der Walze (10) angeordnete Ende des Wellenleiters in drei Koordinaten bewegbar gelagert ist.