DE19618254A1 - Verfahren zur Herstellung eines Multilayers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfah­ ren zur Herstellung eines Multilayers nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Leiterplatten bilden die Grundlage für elektronische Schaltungen, wie sie in allen Bereichen der Technik eingesetzt werden. Dabei geht der Trend zu sogenannten Multilayer- (Mehrlagenschaltungs-) Platinen mit stetig zunehmender Lagenzahl, die eine kompakte, platzsparende Bauweise ermöglichen. Durch den Einsatz von Multilayer- Platinen wird eine Erhöhung der Integrationsdichte er­ reicht. Mehrfachlagen und feine Strukturen sind Voraus­ setzung für eine Miniaturisierung in der Elektronik.

Während die Multilayer-Fertigung selbst heutzutage weitgehend automatisiert ist, basiert der sogenannte Registriervorgang (d. h. die Arbeitsgänge Positionierung und Fixieren der einzelnen Schichten vor dem eigent­ lichen Preßvorgang) auf kosten- und zeitintensiven manuellen Prozeßschritten. Nach dem Stand der Technik läuft die Multilayer-Fertigung wie folgt ab:
Zunächst werden die Innenlagen-Einzelschichten ge­ fertigt. Anschließend folgen die Schritte Vermes­ sung und Stanzen der Durchbrüche zum Ausrichten der einzelnen Lagen. In einem dritten Prozeßschritt werden die unter dem Terminus PREPREG bekannten Zwischenlagen-Klebeschichten aufgetragen. Zum Aus­ richten der Einzelschichten werden diese schließ­ lich mit Hilfe von sogenannten Fixierstäben über die zuvor gestanzten Durchbrüche ausgerichtet. Den Abschluß der Multilayer-Fertigung bildet dann das Verpressen, wobei der Kunststoff auf etwa 200 Grad erwärmt wird und die Einzelschichten sich untrenn­ bar miteinander verbinden.

An dieser Stelle soll ergänzend noch angemerkt werden, daß für die einwandfreie Funktion eines Multilayers die paßgenaue Positionierung der Innenlagen von entschei­ dender Bedeutung ist.

Ein Problempunkt der bekannten beziehungsweise üblichen Fertigungstechnologie ist die erreichbare Genauigkeit, die durch das vorhandene Spiel zwischen den gestanzten Durchbrüchen und den Fixierstiften, sowie durch die er­ reichbare Ausrichtgenauigkeit beim Stanzen selbst beeinflußt und damit gegebenenfalls beeinträchtigt ist. Desweiteren besteht ein Problem bekanntermaßen in der nicht unerheblichen Verwechslungsgefahr der einzelnen Innenlagen, da diese ja manuell paketiert werden. Ein entscheidender Nachteil des heute üblichen Verfahrens ist jedoch auch darin zu sehen, daß die notwendige Fer­ tigungszeit infolge der manuellen Arbeitsschritte die Multilayer-Fertigung stark beeinträchtigt.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufga­ be besteht darin, ein Verfahren zur automatisierten Re­ gistrierung und Fixierung der einzelnen Lagen eines Multilayers zu entwickeln, bei dem die genannten Pro­ blemen eliminiert sind.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch die im Patentan­ spruch 1 angegebene Vorgehensweise gelöst.

Mit anderen als im Patentanspruch gebrauchten Worten besteht der Kern der vorliegenden Erfindung darin, ein automatisch arbeitendes System zur vollautomatischen Registrierung und Fixierung von Innenlagen zu einem Preßkern vorzuschlagen, das keinerlei mechanische Re­ gistrierung erfordert. Die Ausrichtung erfolgt aus­ schließlich auf der Grundlage von aufbelichteten und anschließend geätzten Referenzpunkten beziehungsweise Passermarken. Das System arbeitet im Durchlaufprinzip mit den Optionen, daß die sortierten Innenlagen und die erforderlichen Prepreglagen manuell oder automatisch (beispielsweise mit Hilfe geeigneter computerunter­ stützter Handhabungsgeräte) zugeführt werden. Die ein­ zelnen Lagen (Innenlage oder Prepreglage) werden vom System-Einlauf auf einen Ausrichttisch transportiert und über eine Mittelachse mechanisch in X- und Y-Achse vorausgerichtet. Anschließend werden die Innenlagen zusätzlich mittels eines Bildverarbeitungssystems fein­ ausgerichtet. Die jeweils erste Innenlage eines Multi­ layers dient dabei als eindeutige und reproduzierbare Referenz für alle folgenden Innenlagen im Multilayer. Die mit Hilfe eines geeigneten Transportsystems in einer Arbeitsstation (Verbindungs-/Stapelstation) pla­ zierte Innenlage wird dort mittels Vakuum auf ihrer Arbeitsfläche gehalten. Daran anschließend wird eine Prepreglage eingeführt und auf der vorher im Arbeits­ bereich plazierten Innenlage abgelegt und punktuell fixiert. Schon während dieses Vorgangs wird - quasi überlappend - bereits die nächste Innenlage über ihre Referenzpunkt optisch ausgerichtet, vom Transportsystem übernommen und auf dem bereits vorhandenen Stapel von Innenlagen und Prepreglagen im Arbeitsbereich posi­ tionsgenau plaziert.

Die Innenlagen und Trennlagen werden so - gegebenen­ falls automatisch - nacheinander der Verbindungsstation zugeführt und hier jeweils mit den bereits gestapelten Lagen verbunden. Abschließend werden die Außenlagen in Gestalt von Kupferfolien aufgebracht, so daß letztend­ lich ein Multilayer entsteht, dessen Innenlagen alleine aufgrund optischer Ausrichtung und Zuordnung angeordnet sind. Dieser Stapel von Multilayerschichten wird dann in einer geeigneten Preßstation zum fertigen Multilayer verpreßt.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Innenlagen über beidseitig auf­ gebrachte beziehungsweise aufgeätzte Referenzpunkte po­ sitioniert werden können. Über geeignete Bild-Verarbei­ tungsmittel werden beide Seiten der Innenlagen über­ wacht, so daß eine eindeutige Ausrichtung gewährleistet ist.

Besondere Ausgestaltungen der im vorstehenden umschrie­ benen Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Diesbezüglich soll insbesondere angemerkt werden, daß aufgrund der Möglichkeit, die einzelnen Innenlagen automatisiert, beziehungsweise computerunterstützt zu handhaben jede Möglichkeit von Verwechslungen á priori vermieden ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Schemadar­ stellung nochmals etwas näher erläutert.

In dieser Schemadarstellung sind von links nach rechts folgende Merkmale beziehungsweise Elemente dargestellt:

• - Die Außenlagen in Gestalt von Kupferfolien, und zwar als obere A-Seite und als untere B-Seite zum Aufbringen auf den aus
• - Innenlagen einerseits und
• - PREPREG-Lagen andererseits

gestapelten Multilayer-Stapel.

Eine erste Innenlage wird über ein geeignetes Transfer­ system einem sogenannten (X-Y-ϕ) Ausricht- beziehungs­ weise Richttisch zugeführt. Für diese erste Innenlage wird über zwei zuvor aufgebrachte, insbesondere geätzte Referenzpunkte eine eindeutige Referenzlage festgelegt. Nach dem Abtransport über ein sogenanntes Transport­ shuttle und die Ablage auf einem Arbeitstisch (Verbin­ dungs-/Stapelstation) ohne jeglichen Positionsverlust erfolgt die Fixierung mit Hilfe eines Saugsystems. An­ schließend wird - ebenfalls automatisch - eine Prepreg­ lage zugeführt. Die nächste Innenlage wird ebenfalls über das optische Verfahren gemäß der Referenzlage be­ ziehungsweise gemäß den konjugierten Referenzpunkten ausgerichtet und exakt auf die vorhergehende Innenlage positioniert.

Die einzelnen Schichten (Innen-/Prepreglagen) werden so Lage für Lage über ein temporäres Verbindungssystem ge­ mäß den Fügearten Kleben, Schweißen oder Nieten fi­ xiert.

Die wesentlichen Merkmale des neuartigen Verfahrens sind letztlich einerseits eine optisch-exakte, bildver­ arbeitungsgeschützte Ausrichtung der einzelnen Innen­ lagen auf dem (X-Y-ϕ)Ausrichttisch und andererseits ein neuartiges, endgültiges Fixieren der Einzelschich­ ten zur Positionshaltung vor dem Pressen, und zwar nach ihrer lagestabilen Überführung zum Arbeitstisch, d. h. zur Verbindungs-/Stapelstation.

Wie bereits erwähnt kann die Positionsgenauigkeit der Innenlagen zusätzlich über auf der zweiten Seite aufge­ ätzte Passermarken überwacht werden.

Der Vorteil des neuen Verfahrens ist insbesondere darin zu sehen, daß infolge der rein-optischen Registrierung ohne irgendwelche mechanisch eingebrachten Registrier­ öffnungen höchste Genauigkeit mit einer Registrier­ beziehungsweise Reproduziergenauigkeit von +/- 10 µm ge­ währleistet werden kann. Durch die Leistungsfähigkeit der Bildverarbeitung können die Lagen auf die richtige Reihenfolge geprüft werden. Durch den shuttlegeführten Übergang vom Positionieren zum Fixieren entfällt darüber hinaus der manuelle Paketiervorgang vor dem eigentlichen Verpressen. Die Auslegung des Systems als Durchlaufanlage erhöht insgesamt den Durchsatz gegen­ über der herkömmlichen Fertigungstechnologie ganz deut­ lich.

Erhebliche Einsparungen ergeben sich dabei auch im Maschinenbereich. Da keinerlei mechanische Bearbeitung (kein bohren oder stanzen) der Innenlagen notwendig ist, sind weitere Maschinen zur Multilayer-Fertigung für diesen Prozeßschritt nicht notwendig; die Proble­ matik der Ungenauigkeit durch Toleranzen ist á priori nicht gegeben.

Die Flexibilität des Preßvorgangs auf unterschiedliche Multilayer-Formate wird deutlich erhöht. So ist bei­ spielsweise denkbar, zwei Multilayer unterschiedlicher Geometrien in einem Werkzeug zu verpressen. Da die ein­ zelnen Lagen durch das temporäre Fixiersystem positio­ niert bleiben, ist kein zusätzliches Registriersystem in den Preßwerkzeugen und Zwischenblechen erforderlich.

Bezugnehmend auf die Schemadarstellung sei noch folgen­ des angemerkt:
Sind Innenlagen und Prepreglagen in der Arbeitsstation (Verbindungs-/Stapelstation) in ihrer vorgegebenen Zu- und Anordnung zusammengeführt und miteinander verbun­ den, so steht als Zwischenprodukt ein sogenannter Preß­ kern (Innenlagenkern) zur Verfügung.

Auf diesem Preßkern sind - und zwar in Gestalt einer Kupfer-Folie und nach Aufbringen einer Prepreglage - noch je eine obere Außenlage (A-Seite) und eine untere Außenlage (B-Seite) aufzubringen und ihrer Funktion entsprechend mit einer Leiterstruktur zu versehen. Die obere Außenlage kann unter Umständen bereits in der Verbindungs-/Stapelstation aufgelegt werden; im allge­ meinen ist es jedoch so, daß beide Außenlagen in einer der Verbindungs-/Stapelstation nachgeordneten Arbeits­ station aufgebracht und bearbeitet werden.

Letztendlich steht ein aus den Innen- und Prepreglagen, sowie beiden Außenlagen (Cu-Folien) aufgeschichteter Multilayer zur Verfügung, bei dem jedoch die Lagen noch nicht großflächig miteinander verbunden sind. Dieses Multilayer-Paket wird nun - und zwar ohne weitere Posi­ tionierungen - einer geeigneten Presse zugeführt, in der dann das Lagenensemble, d. h. die Preßkerne mit ihren Außenlagen zwischen der Oberplatte des Preßwerk­ zeugs zum Beispiel einer Etagenpresse und der Unter­ platte des Preßwerkzeugs (vergleiche abgesetzte Dar­ stellung), mit dem erforderlichen Druck zusammengepreßt wird. Der Presse wird dann ein fertiger Multilayer in kompakter Form und komplexer Zusammensetzung entnommen. Gegebenenfalls können - vergleiche abgesetzte Darstel­ lung - auch mehrere Lagenensemble unter Zwischenfügung einer Zwischenplatte beziehungsweise eines Zwischen­ blechs paketiert und miteinander verpreßt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Multilayers (Mehr­ lagenschaltung), bestehend aus einer Mehrzahl von Innenlagen und Prepreglagen, wobei die Innenlagen in exakter vor­ gegebener Zuordnung relativ zueinander ausgerich­ tet und mit den Prepreglagen übereinander gesta­ pelt werden und wobei dieser Stapel (Innenlagen­ kern) unter Zufügung je einer oberen und unteren Außenlage (Kupferfolie) fest miteinander zu einem Lagenpaket verbunden werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die Innenlagen gemeinsam mit der Leitungs­ struktur mindestens einseitig relativ zueinander eindeutig definierte Referenzpunkte (Passermarken) aufgebracht werden, und
daß anschließend folgende Verfahrensschritte vorge­ sehen sind:

• a) eine erste Innenlage wird entsprechend ihren Referenzpunkten auf einem Ausricht-/Richttisch exakt positioniert und anschließend arretiert, sowie lagestabil einer Arbeitsstation (Verbin­ dungs-/Stapelstation) zugeführt;
• b) die weiteren Innenlagen werden der vorgegebenen Zuordnung entsprechend je für sich gleicherma­ ßen auf dem Richttisch ausgerichtet und lage­ stabil der Arbeitsstation zugeführt, und zwar derart,
• - daß die Innenlagen ausschließlich auf der Grundlage ihrer Referenzpunkt in exakter Zuordnung zur ersten Innenlage ausgerichtet werden, und
• - daß die nacheinander zugeführten Innen- und Prepreglagen je für sich mit den der Ar­ beitsstation zugeführten Innen- und Pre­ preglagen unverrückbar verbunden werden, so daß ein einstückiger Preßkern (Innenpreß­ kern) vorliegt, und
• c) anschließend werden auf den Preßkern weitere Prepreglagen, sowie die Außenlagen (A-/B- Seiten) aufgelegt und ihrer bestimmungsgemäßen Funktion entsprechend mit Leiterstrukturen be­ aufschlagt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Außenlage (A-Seite) in der Arbeits­ station auf den Preßkern aufgelegt und fixiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Außenlage (B-Seite) auf den um die obere Außenlage (A-Seite) ergänzten Preßkern auf ge­ legt und fixiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenlagen und die Prepreglagen dem Richt­ tisch mit Hilfe einer automatisierten, beispiels­ weise einer computergesteuerten Zuführeinrichtung zugeführt werden.