DE60036907T2

DE60036907T2 - Verfahren zur herstellung von widerständen

Info

Publication number: DE60036907T2
Application number: DE60036907T
Authority: DE
Inventors: Gregory J. Arlington Heights DUNN; Min-Xian Algonquin ZHANG; John Downers Grove SAVIC
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1999-03-17
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: JP4297617B2; TW496108B; EP1082882A4; JP2002539629A; ATE377342T1; DE60036907D1; WO2000056128A1; US20020013997A1; EP1082882B1; EP1082882A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Leiterplatten und deren Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung Leiterplatten, die sowohl niederohmige als auch hochohmige integrierte Widerstände haben, und das Verfahren zur Herstellung dieser Platten.
Sowohl niederohmige Widerstände, die elektrische Widerstände von mehreren hundert Ohm oder weniger pro Quadrat haben, als auch hochohmige Widerstände, die Widerstände von über 1 Kiloohm pro Quadrat haben, sind allgemein auf Leiterplatten notwendig. Optimalerweise könnten sowohl hochohmige als auch niederohmige Widerstände während der Druck- und Ätzvorgänge, die herkömmlicherweise zur Herstellung solcher Platten verwendet werden, integriert werden.
Hoch- und niederohmige Widerstände wurden auf Leiterplatten ausgebildet, indem Polymer-Dickschichttinten per Siebdruck auf vorher festgelegte Bereiche einer Leiterplatte gebracht wurden. Im Allgemeinen enden diese Bereiche direkt auf Kupferbahnen. Eine einzelne Dickschichtwiderstandstinte kann nicht verwendet werden, um den 10 Ohm bis 200 Kiloohm-Bereich von Widerständen in einer üblichen Schaltung abzudecken. Die Verwendung von mehreren Tinten erfordert mehrere Druck- und Aushärtungsschritte. Siebdruck ist außerdem ein relativ schwerfälliger Vorgang, und es ist schwierig, Widerstandstinte auf dicke (18–36 Mikrometer) Kupferanschlüsse zu drucken und den exakten gewünschten Widerstand zu erhalten. In manchen Fällen ist es von Vorteil, Chip-Widerstände mit Präzisionswiderständen sogar dann zu verwenden, wenn ihre Verwendung kostspieliger ist.
Ein weiterer Nachteil von Polymer-Dickschichtwiderständen ist, dass ihre Widerstände dazu neigen, bei Temperatur- und Feuchtigkeitsbelastung ansteigen, was wahrscheinlich aufgrund von Korrosion an den Polymer-Kupferanschluss-Schnittstellen der Fall ist. Diese Korrosion kann verringert werden, indem eine Abschlussschicht eines oxidationsbeständigeren Metalls wie beispielsweise Nickel, Gold oder Silber auf das Kupfer aufgebracht wird. Dies erhöht ohne Frage die Verfahrensschritte und -kosten.
Alternativ kann die Widerstandserhöhung verringert werden, indem eine dünnere Kupferschicht verwendet wird, was aber im Widerspruch zu dem Bedarf nach relativ dickem Kupfer steht, um Leiterbahnen von geringem Widerstand in der gesamten restlichen Schaltung ausbilden zu können. Polymer-Dickschichtwiderstände weisen auch den Abfall des Scheinwiderstandes bei hohen Frequenzen auf, wodurch sie für niederohmige Widerstände, die in den Funkfrequenzbereichen einer Leiterplatte verwendet werden, ungeeignet werden.
Niederohmige Widerstände, die die präzisen Widerstände haben, die für Funkfrequenzabschnitte einer Leiterplatte notwendig sind, können mit einem herkömmlichen Verfahren des Aufbringens eines Leiter- und Widerstands-Metalllegierungs-Zweischichtstoffes, die Widerstands-Metalllegierungsschicht unten, auf einem geeigneten dielektrischen Substrat gebildet werden. Die oberste Leiterschicht wird gedruckt, und außer in den festgelegten Bereichen, in denen Widerstände auf der Platte angeordnet werden sollen, wird der Leiter weggeätzt. Die Widerstands-Metalllegierungsschicht selbst, die unter den weggeätzten Metallbereichen war, wird dann selbst weggeätzt. Der Leiter, der die Widerstands-Metalllegierung in den festgelegten Bereichen überlagert, wird dann ein zweites Mal gedruckt und geätzt, um die Länge des Widerstands festzulegen und die Anschlüsse des Widerstands zu bilden. Während relativ präzise Widerstandswerte durch dieses Verfahren erhalten werden können, ist es auf die Herstellung von Widerständen von mehreren hundert Ohm oder weniger beschränkt.
Aus dem zuvor Erwähnten kann erkannt werden, dass keine der beiden am meisten verwendeten Technologien zur Herstellung von Leiterplatten mit integrierten Widerständen völlig zufriedenstellend ist: Metalllegierungswiderstände sind vom Widerstandsbereich her beschränkt und Polymer-Dickschichtwiderständen fehlt sowohl Präzision als auch Stabilität. Dementsprechend besteht ein Bedarf nach einem wirtschaftlichen Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten, die sowohl hochohmige als auch niederohmige Widerstände aufweisen. Insbesondere besteht ein Bedarf nach der gleichzeitigen Herstellung sowohl von hoch- und niederohmigen Widerständen.
EP 0 364 095 beschreibt eine Leiterplatte, in der ein Dickschichtwiderstand über elektrischen Kontakten mit geringem Widerstand, mit Leitern, die über den elektrischen Kontakten mit geringem Widerstand gebildet sind, gebildet wird, um einen Widerstand mit hohem Widerstand zu bilden. Der für die elektrischen Kontakte mit geringem Widerstand verwendete Werkstoff wird auch zur Bildung von niederohmigen Widerständen verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte gemäß den anliegenden Ansprüchen bereitgestellt.
Ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung sowohl von Widerständen mit hohen wie auch mit niedrigen Werten auf einer Leiterplatte wird bereitgestellt.
Das Verfahren dieser Erfindung besteht vorzugsweise im Aufbringen einer ersten Schicht eines Werkstoffs mit geringem Widerstand, die einen Flächenwiderstand von weniger als 500 Ohm pro Quadrat hat, auf ein dielektrisches Substrat in einer vorher festgelegten Dicke und einem vorher festgelegten Muster. Das Muster bestimmt die elektrischen Längen und Breiten der niederohmigen Widerstände wie auch die Paare von Anschlusselektrodenflächen für die hochohmigen Widerstände. Eine zweite Schicht eines Werkstoffs von hohem Widerstand mit einem Flächenwiderstand von ungefähr 1 Kiloohm pro Quadrat oder mehr wird zwischen und in Kontakt mit den obersten Flächen der sich gegenüberstehenden Enden jedes Bauteils der Anschlussflächenpaare aufgebracht. Die festgelegten Längen, Breiten und Dicken des gemusterten Werkstoffs mit hohem Widerstand bestimmen die Werte der hochohmigen Widerstände. Leitfähige Metallanschlüsse werden an den Enden der niederohmigen Widerstände von und an den entfernten Enden der Leiterflächenpaare bereitgestellt, um die Widerstände zu vervollständigen. Die Widerstände und das Substrat können mit einem dielektrischen Werkstoff beschichtet sein. Diese Schicht isoliert die Widerstände von der Umwelt und kann als eine Basis dienen, auf welcher zusätzliche Schichten von Schaltungen aufgebaut werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht eines niederohmigen Widerstands und eines hochohmigen Widerstands auf einem dielektrischen Substrat gemäß der Erfindung;
2 ist eine Querschnittsansicht entlang A-A von 1; und
3 ist eine Querschnittsansicht eines niederohmigen und hochohmigen Widerstands, der in eine dielektrische Schicht gemäß der Erfindung eingebettet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In 1, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Draufsicht eines niederohmigen Widerstands 2 und eines hochohmigen Widerstand 4 auf einem dielektrischen Substrat 6 dargestellt. Das Substrat 6 kann jeder geeignete Werkstoff wie beispielsweise eine Leiterplatte, eine flexible Schaltung, ein Keramik- oder Siliziumsubstrat, eine weitere dielektrische Schicht einer Schaltung mit mehreren Schichten oder andere solcher geeigneten Substrate sein, die Fachleuten in der Technik bekannt sind.
In 2, auf die des Weiteren Bezug genommen wird, wurde ein erster gemusterter Bereich 6 eines Werkstoffs mit geringem Widerstand auf das Substrat 6 aufgebracht. Zusätzliche gemusterte Bereiche 10 und 12 wurden auf das Substrat 6 aufgebracht, wodurch erste bzw. zweite Anschlussektrodenflächen 14 und 16 gebildet werden. Bevorzugte Werkstoffe mit geringem Widerstand umfassen Nickel oder Nickellegierungen wie beispielsweise NiP oder NiCu oder jegliche anderen Legierungen der Metalle wie Gold, Silber oder Palladium, die geeignete Widerstände von ungefähr 1 bis 500 Ohm pro Quadrat haben und die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren für Leiterplatten aufgebracht werden können. Solche Verfahren umfassen stromlose Plattierungs- und Tauchbeschichtungsverfahren oder die Strukturierung einer ätzbaren Schicht mit geringem Widerstand. Eine solche geeignete ätzbare Nickellegierung ist die NiP-Schicht eines dielektrischen NiP-Cu dreibeschichteten Werkstoffs, Ohmegaply^TM, das von Ohmega Technologies verkauft wird. Der gemusterte Werkstoff von niedrigem Widerstand hat eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,02 bis 10 Mikrometern.
Der hochohmige Widerstand 4 wird gebildet, indem ein gemusterter Bereich 18 eines Werkstoffs mit einem Widerstand von mindestens einem Kiloohm pro Quadrat und vorzugsweise in dem Bereich von ein bis 100 Kiloohm pro Quadrat aufgebracht wird. Der Bereich 18 erstreckt sich zwischen den Elektrodenflächen 10 und 12 über das Substrat 6 und auf den Oberflächen 20 und 22 der Elektrodenflächen 12 bzw. 10. Der Widerstand des Widerstands 4 wird durch die Länge, Dicke und Breite des Bereichs 18 und die Distanz, die die Elektrodenflächen 12 und 10 trennt, bestimmt.
Ein bevorzugter Werkstoff von hohem Widerstand ist eine Polymer-Dickschicht, die durch Ablagerung und Aushärtung einer widerstandsfähigen Polymer-Dickschichtwiderstandstinte gebildet wird. Die Widerstandstinte kann durch Siebdruck, Schablonierung oder jedes beliebige andere Verfahren, das in der Lage ist, eine kontrollierte Menge von Tinte auf dem Substrat 6 und den Elektrodenflächen 10 und 12 abzulagern, aufgebracht werden. Geeignete Tintenzusammensetzungen sind Polymer-Dickschichttinten, die partikelförmige leitfähige Füllstoffe aufweisen, die in einer polymerischen Matrix fein verteilt sind. Eine bevorzugte, in der Technik bekannte Zusammensetzung enthält Kohlenstoffpartikel als den Füllstoff, der in einem wärmeaushärtbaren Phenolharz fein verteilt ist. Der Hochwiderstandswerkstoff hat üblicherweise eine Dicke im Bereich von ungefähr zehn bis ungefähr zwanzig Mikrometern.
In 3, auf die nun Bezug genommen wird, können die Widerstände 2 und 4 eingebettet sein, indem eine Beschichtung 32 über der Anordnung mit einem dielektrischen Werkstoff wie beispielsweise einem Epoxidharz oder einem anderen geeigneten Harz aufgebracht wird.
Um den niederohmigen Widerstand 2 zu vervollständigen, werden erste und zweite leitfähige Anschlüsse 24 und 26 aus Kupfer oder anderem geeigneten Metall an entgegengesetzten Enden des gemusterten Bereichs 8 bereitgestellt. Um den hochohmigen Widerstand 4 zu vervollständigen, werden leitfähige Anschlüsse 28 und 30 bereitgestellt.
Es gibt viele Vorteile der Verfahrens und des Produkts des Gegenstands. Beispielsweise sind die Verbindungen sowohl zwischen den Metallanschlüssen als auch den Dickschicht-Polymerwi derständen und den darunterliegenden Elektrodenflächen 14 und 16 stabiler als herkömmliche Kupferdickschicht-Polymerverbindungen. In der Praxis wird eine ideale Elektrode, die dünn ist und aus einem korrosionsbeständigen Metall besteht, gleichzeitig mit der Herstellung eines niederohmigen Widerstands bereitgestellt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass im Wesentlichen präzise Werte für hochohmige Widerstände wie 4 unter Verwendung von ansonsten unpräzisen Siebdruckverfahren erreicht werden können. Da der Widerstandskörper 18 auf den dünnen Elektrodenpolstern 14 und 16 endet, anstatt einen dicken leitfähigen Metallanschluss zu überlappen, kann der Widerstandswert zuverlässiger und nachvollziehbarer festgelegt werden. Es wird außerdem bevorzugt, die Flächen 14 und 16 etwas breiter als einen Widerstand 4 herzustellen, um einen Seitenrand für die Platzierung bereitzustellen. In einem Kiloohm-Widerstand oder einem Widerstand mit größerem Wert ist der zusätzliche Widerstand, der von den Flächen 14 und 16 bereitgestellt wird, unbedeutend.
Da derselbe Legierungswerkstoff mit geringem Widerstand verwendet wird, um den niederohmigen Widerstand 2 und die Anschlussflächen 14 und 16 für den hochohmigen Widerstand 16 zu bilden, sind keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte notwendig, um die niederohmige und hochohmige Widerstände auf derselben Leiterplatte zu bilden. Dies verringert die Kosten und die potentielle Dicke einer Leiterplatte wesentlich. Ferner kann der gesamte Wertebereich der Widerstände integriert werden, indem der Druckbereich für niederohmige Widerstände einfach nur ausgemessen und die Länge und Breite der hochohmigen Dickschicht-Polymerwiderstände angepasst wird. Diese Merkmale helfen den Designern der Platte dabei, alle gewünschten Schaltungskomponenten auf derselben Platte unterzubringen. Da die gesamte Schichtdicke der Schicht, die Widerstände auf einer mehrlagigen Platine umfasst, relativ dünn ist, kann eine aufgebrachte dielektrische Einbettungs- oder Vergussbeschichtung 32 des Weiteren als eine Basis für den Aufbau von zusätzlichen Schichten auf einer Leiterplatte dienen.
Gemäß einer bevorzugtesten Ausführungsform kann eine Leiterplatte, die einen niederohmigen Widerstand und einen hochohmigen Widerstand, die darauf fest eingebaut gebildet sind, wie folgt hergestellt werden.
Eine dünne Platte aus Ohmegaply^TM, die von Ohmega Technologies verkauft wird, wird bereitgestellt. Sie umfasst ein dielektrisches Substrat, eine plattierte Nickel-Phosphor-Schicht, die bis zu 30% Phosphor aufweist und einen Flächenwiderstand von bis zu 500 Ohm/Quadrat hat, sowie eine leitfähige Kupferüberdeckung aufweist. Der Werkstoff von geringem Widerstand, wie beispielsweise die plattierte Nickel-Phosphorschicht, sowie die leitfähige Schicht können als ein Schichtstoff auf das dielektrische Substrat aufgebracht werden.
Die Kupferschicht wird gedruckt und geätzt, um die Länge und Breite des niederohmigen Widerstands, das Ausmaß der Anschlusselektrodenflächen für den hochohmigen Widerstand und die Anschlüsse für beide festzulegen. Die freigelegte NiP-Schicht wird dann bis zum Substrat weggeätzt. Die verbleibende Kupferschicht wird weiter geätzt, um den Wert des niederohmigen Widerstands zu bestimmen. Gleichzeitig wird Kupfer von einem Teil der obersten Fläche jeder Elektrodenfläche geätzt, um der Platzierung des hochohmigen Widerstandskörpers zwischen ihnen entgegenzukommen.
Der hochohmige Widerstand wird durch Siebdrucken einer passenden Dickschicht-Polymertinte zwischen und in Kontakt mit der Oberfläche der Anschlussflächen und deren Aushärten gebildet.
Optional kann die Platte ferner mit einer dielektrischen Schutzschicht wie beispielsweise Epoxid beschichtet und ausgehärtet werden.
Während unsere Erfindung im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, könnten andere Formen von Fachleuten in der Technik leicht angepasst werden. Beispielsweise könnten andere Legierungen und Werkstoffe mit geeigneten elektrischen Eigenschaften oder unterschiedliche Verfahren zum Aufbringen von Werkstoffen auf einen kontrollierten Bereich einer Leiterplatte verwendet werden. Dementsprechend soll der Umfang der Erfindung nur gemäß den nachfolgenden Ansprüchen beschränkt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltung, welche einen Widerstand (2) mit einem geringen Wert und einen Widerstand (4) mit einem hohen Wert aufweist, wobei die Widerstände mit dem geringen und mit dem hohen Wert fest eingebaut auf der Leiterplatte ausgebildet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Aufbringen eines Laminats auf ein dielektrisches Substrat (6), wobei das Laminat eine erste Schicht eines Werkstoffs mit geringem Widerstand und eine zweite Schicht eines leitfähigen Anschlussstellenmetalls aufweist, wobei die erste Schicht benachbart zum Substrat (6) angeordnet ist; Entfernen vorher festgelegter Bereiche der ersten und zweiten Laminatschicht, so dass der Widerstand (2) mit dem geringen Wert mit leitfähigen Metallanschlussstellen (24, 26) sowie ersten (14) und zweiten (16) Anschlusselektrodenpads aus dem Werkstoff mit geringem Widerstand in beabstandeter Relation für das Aufbringen des Werkstoffs (18) mit hohem spezifischen Widerstand dazwischen gebildet ist, und dass die leitfähigen Metallanschlüsse (28, 30) an den entfernten Enden des Anschlusspads (14, 16) ausgebildet sind; und Aufbringen einer Schicht eines Werkstoffs (18) mit hohem spezifischen Widerstand zwischen und in Kontakt mit den ersten (14) und zweiten (16) Anschlusspads stehend, zur Bildung des Widerstands mit einem hohen Wert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laminatschicht eine elektroplattierte Nickelphosphorlegierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit geringem spezifischen Widerstand einen Flächenwiderstand von 1 bis 500 Ohm pro Quadrat und der Werkstoff mit hohem spezifischen Widerstand einen Flächenwiderstand von 1 bis 100 Kiloohm pro Quadrat hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit niedrigem spezifischen Widerstand eine Nickellegierung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit hohem spezifischen Widerstand eine Dickschicht-Polymertinte ist.
Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltung, welche einen Widerstand (2) mit einem geringen Wert und einen Widerstand (4) mit einem hohen Wert aufweist, wobei die widerstände mit dem geringen und mit dem hohen Wert fest eingebaut auf der Leiterplatte ausgebildet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines dielektrischen Substrats (6); Aufbringen einer ersten Schicht eines Werkstoffs mit einem geringen Widerstand auf dem Substrat; Aufbringen einer zweiten Schicht eines ätzbaren leitfähigen Metalls über der ersten Schicht; Ätzen des leitfähigen Metalls zum Festlegen der Länge und Breite des Widerstands (2) mit dem geringen Wert und der Anschlussstellen (24, 26) für diesen, und zum Festlegen eines Paars von ersten und zweiten Anschlusselektrodenpads (14, 16) und Anschlüssen (28, 30) für den Widerstand (4) mit dem hohen Wert; Entfernen des durch das Ätzen freigelegten Werkstoffs mit geringem spezifischen Widerstand; Ätzen des verbleibenden leitfähigen Metalls, so dass der Widerstand (2) mit dem geringen Wert gebildet wird und die ersten und zweiten Anschlusselektrodenpads (14, 16) in beabstan deter Relation für das Aufbringen der Schicht mit hohem spezifischen Widerstand (18) darauf und dazwischen gebildet werden; und Aufbringen eines Werkstoffs (18) mit hohem spezifischen Widerstand zwischen und in Kontakt mit den ersten und zweiten Anschlusselektrodenpads (14, 16) stehend, zur Bildung des Widerstands (4) mit dem hohen Wert.