DE102019133955A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur aus mindestens einer leitfähigen Struktur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur aus mindestens einer leitfähigen Struktur, einem Träger aus einem nichtleitendem Trägermaterial aus duroplastischem Kunststoff und mindestens einer elektronischen Komponente, wobei das nichtleitende Trägermaterial ein Additiv enthält, das infolge der Einwirkung einer Laserstrahlung in einem außenstromlosen Metallisierungsbad gebildete katalytisch aktive Spezies aufweist. Durch die Verwendung einer gepulsten Laserstrahlung wird eine quasi athermische Bearbeitung des Trägermaterials erreicht, indem das Material aufgrund der enorm hohen Spitzenintensitäten direkt verdampft wird, sodass keine oder nahezu keine Schmelze entsteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbundstruktur aus mindestens einer leitfähigen Struktur, einem Träger aus einem nichtleitendem Trägermaterial aus duroplastischem Kunststoff und mindestens einer elektronischen Komponente, wobei das nichtleitende Trägermaterial ein Additiv enthält, das infolge der Einwirkung einer Laserstrahlung in einem außenstromlosen Metallisierungsbad gebildete katalytisch aktive Spezies aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbundstruktur.
  • Bei einem als Laser-Direktstrukturierung (LDS) bekannt gewordenen Verfahren werden Trägermaterialien im Einkomponenten-Spritzguss mit speziell additiviertem Kunststoffgranulat als Formteile spritzgegossen. Mittels Laser können die Additive ortsselektiv in einer physikalisch-chemischen Reaktion zu katalytisch wirksamen Keimen umgesetzt werden, wobei sich in einem anschließenden chemischen Metallisierungsbad an den so behandelten Stellen Metall abscheidet.
  • In der DE 101 32 092 A1 werden Leiterbahnstrukturen auf einem elektrisch nichtleitenden Trägermaterial beschrieben, die aus Metallkeimen und einer nachfolgend auf diese aufgebrachten Metallisierung bestehen, wobei die Metallkeime durch Aufbrechen von feinstverteilt in dem Trägermaterial enthaltenen elektrisch nichtleitenden anorganischen Metallverbindungen durch elektromagnetische Strahlung entstanden sind.
  • Aufgrund technologischer Begrenzungen können heutzutage Spurweiten von minimal 150 µm verlässlich mittels LDS-Verfahren hergestellt werden. Um die gewünschte Miniaturisierung der MID weiter voranzutreiben, ist es unumgänglich, diese Beschränkung weiter zurückzudrängen. Zu diesem Zweck werden große Anstrengungen betrieben, die Laserstrahlung weiter zu fokussieren und präziser über die Oberfläche des Formteils zu führen.
  • Die DE 10 2012 010 635 A1 betrifft ein Verfahren zur direkten 3D-Strukturierung von harten, spröden und optischen Materialien, bei dem die Oberfläche mit einem Ultrakurzpulslaser strukturiert und dadurch gezielt eine 3D-Struktur oder Form eingebracht wird.
  • Als nachteilig bei der Durchführung des Verfahrens zur Herstellung elektrisch leitfähiger Strukturen auf oder an einem nichtleitenden Trägermaterial durch Laseraktivierung, beispielsweise bei Leiterbahnen, haben sich in der Praxis insbesondere bei Duroplasten als Trägermaterial die auftretenden Fremdabscheidungen erwiesen. Da Duroplaste nicht schmelzen, sondern zersetzt werden, kommt es zur Freisetzung erheblicher Mengen von Kohlenstoff, der in einem außenstromlosen Metallisierungsbad katalytisch aktiv ist.
  • Bei der nachfolgenden Metallisierung der Metallatome kommt es in unerwünschter Weise auch außerhalb des bearbeiteten Bereichs zu Fremdabscheidung auf den im Metallisierungsbad katalytisch aktiven Abtragsprodukten.. Bei einem geringen Abstand der erzeugten Leiterbahnen kann diese Fremdabscheidung in der Praxis zu Kurzschlüssen führen. Dabei erweisen sich diese Abtragsprodukte auch deshalb als so problematisch, weil diese sich aufgrund ihrer hohen Temperatur bei der Zersetzung wieder mit der Kunststoff-Oberfläche außerhalb der strukturierten Flächen verbinden und daher kaum noch entfernt werden können. Diese Probleme treten mit zunehmender Miniaturisierung der herzustellenden Strukturen nicht nur bei Duroplasten, sondern prinzipiell bei allen Kunststoffen auf.
  • Wenn die Temperatur bei der Strukturierung zu hoch ist, werden die Ablationsprodukte so heiß, dass sie fest mit der Oberfläche des Trägermaterials verkleben, die dann nicht mehr zuverlässig gereinigt werden kann. Die anhaftenden, katalytisch aktiven Ablationsprodukte führen, insbesondere im Bereich von Ausnehmungen, zur „Kragenbildung“ durch Fremdabscheidung im Randbereich der Ausnehmungen. Zwar hat sich in der Praxis gezeigt, dass dieser Effekt durch eine signifikante Senkung der Laserleistung minimiert werden kann, jedoch resultiert daraus eine deutlich größere Zykluszeit.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbundstruktur und ein Verfahren zu schaffen, bei dem eine Beeinträchtigung der so hergestellten leitfähigen Struktur auf dem Trägermaterial aufgrund von Abtragsprodukten wesentlich vermindert wird. Insbesondere soll erfindungsgemäß eine weitere Reduzierung der Strukturgrößen der elektrisch leitfähigen Strukturen ermöglicht werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Verbundstruktur gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Erfindungsgemäß ist also eine Verbundstruktur vorgesehen, bei der das nichtleitende Trägermaterial ein Additiv enthält, das infolge der Einwirkung einer Laserstrahlung gebildete katalytisch aktive Spezies aufweist, wobei die leitfähige Struktur durch Bestrahlung mittels gepulster Laserstrahlung, insbesondere eines Ultrakurzpulslasers, und durch eine anschließende Metallisierung in dem Metallisierungsbad gebildet ist. Durch die Verwendung einer gepulsten Laserstrahlung wird erfindungsgemäß bei richtiger Wahl der Parameter eine quasi athermische Bearbeitung des Trägermaterials erreicht, indem das Material aufgrund der enorm hohen Spitzenintensitäten direkt verdampft wird, sodass keine oder nahezu keine Schmelze entsteht. Dabei sind die Pulse so kurz, dass während der Pulsdauer keine Übertragung der Energie in Gitterschwingungen und damit in eine Erhöhung der Temperatur stattfindet. Es wird davon ausgegangen, dass die durch den Ultrakurzpuls eingebrachte Energie der zum Verdampfen des Materials erforderlichen Energie entspricht, sodass keine weitere Energie für eine Thermalisierung zur Verfügung steht.
  • Entgegen dem Vorurteil der Fachwelt, die bisher davon ausgegangen ist, dass die Aktivierung der Metallverbindungen und die Bildung katalytisch aktiver Keime in den so laseraktivierten Bereichen einem thermischen Prozess entspricht, der zum Aufbrechen der Additivpartikel hohe Temperaturen benötigt, liegt der Erfindung die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass nicht der thermische Energieeintrag, sondern die maximale Intensität die Grundlage bildet und damit die Ursache und notwendige Voraussetzung für die Aktivierung der Metallverbindungen schafft.
  • Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, wenn das nichtleitende Trägermaterial zumindest einen anorganischen Füllstoff mit einer maximalen Partikelgröße von 50 µm enthält. Hierdurch können auch solche Füllstoffmaterialien verwendet werden, die durch die einwirkende Laserstrahlung nicht zerstört oder gespaltet werden, weil diese aufgrund ihrer geringen Partikelgröße nachfolgende Bearbeitungsverfahren, beispielsweise das Einbringen von Ausnehmungen wie Bohrungen einschließlich Durchgangsbohrungen oder Sacklöchern, nicht beeinträchtigen oder behindern. Somit können die Füllstoffe uneingeschränkt entsprechend der gewünschten technischen Eigenschaften des Duroplasts, beispielsweise hinsichtlich der Viskosität, CTE (Coefficient of Thermal Expansion) oder der Verfestigungszeit, ausgewählt werden.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin noch mit einem Verfahren gelöst, bei dem das nichtleitende Trägermaterial ein Additiv enthält und die leitfähige Struktur durch Bestrahlung mittels gepulster Laserstrahlung und anschließende außenstromlose Metallisierung in einem Metallisierungsbad gebildet wird.
  • Der Erfindung liegt so die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass das Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Struktur durch Laseraktivierung der in dem Additiv enthaltenen Metallverbindungen, insbesondere mit Ultrakurzpulslasern, insbesondere auch bei Duroplasten, problemlos anwendbar ist und dabei den Vorteil hat, dass weniger Fremdabscheidungen auftreten.
  • Erstmals wird so ein Verfahren zur Laserdirektstrukturierung geschaffen, welches einerseits den zur Laseraktivierung erforderlichen Energieeintrag zuverlässig erreicht, andererseits aber die Erwärmung derart beschränkt, dass nicht nur wesentlich weniger Abtragsprodukte entstehen, sondern auch deren Temperatur so gering ist, dass eine Anhaftung an dem Trägermaterial sehr gering ist und diese somit leicht entfernt werden können.
  • Erfindungsgemäß lassen sich so besonders feine elektrisch leitfähige Strukturen erzeugen, weil so durch die Vermeidung von Fremdabscheidungen auch dem damit verbundenen Risiko von Kurzschlüssen vorgebeugt wird. Dadurch können die Strukturbreite und der Abstand der Strukturen verringert werden.
  • Eine weitere besonders Erfolg versprechende Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch dann erreicht, wenn die Anzahl der Laserpulse pro Sekunde (Pulsrepetitionsrate) derart groß bemessen wird, beispielsweise 2 bis 2,5 MHz, dass aufeinanderfolgende Pulse im Bereich eines jeweiligen zu aktivierenden Additivpartikels oder eines Additivbereichs mit einander überlappenden Einwirkungsbereichen einwirken. Dadurch wirken auf jeden Additivpartikel bzw. jeden Additivbereich stets mehrere aufeinanderfolgende Pulse ein, wodurch der Energieeintrag entsprechend erhöht ist.
  • Hierdurch wird ein präzises Temperaturmanagement erreicht, durch das ausgeschlossen wird, dass die thermische Energieeinkopplung in das Trägermaterial so gering ist, sodass die Temperatur nicht ausreicht, um das Additiv, beispielsweise ein Cu-Cr-Spinell, zu elementarem Kupfer zu reduzieren und somit die katalytisch aktive Spezies für die gewünschte Metallisierung nicht bzw. nicht zuverlässig entstehen und insbesondere unregelmäßige partielle Metallisierungen auftreten. Zudem wird durch die überlappenden Einwirkungsflächen aufeinanderfolgender Pulse auch sichergestellt, dass die Temperatur bei der Strukturierung nicht zu hoch ist, sodass die Ablationsprodukte im Gegensatz zum Stand der Technik nicht heiß werden und damit in unerwünschter Weise auf dem Trägermaterial derart anhaften können, dass diese sich nicht mehr zuverlässig entfernen lassen.
  • Somit werden insbesondere die beim Stand der Technik besonders nachteiligen anhaftenden, katalytisch aktiven Ablationsprodukte im Bereich von Bohrungen als sogenannte „Kragenbildung“ zuverlässig vermieden. Erfindungsgemäß wird die Zykluszeit dadurch nicht erhöht. Durch die Verwendung von Ultrakurzpulslasern einer Pikosekunden-Laserquelle wird beim Abtrag erheblich weniger Wärme erzeugt. Dies verhindert beim Bohren die Erzeugung heißer Ablationsprodukte und die Kragenbildung auch bei höheren Leistungen. Die Verwendung höherer Leistungen führt zu größeren Abtragsraten, wodurch die Zykluszeit in der Praxis sogar noch verringert werden kann.
  • In besonders vorteilhafter Weise wird der Wechsel von Nanosekunden- zu Pikosekundenpulsen bei im Übrigen gleichbleibenden Parametern beim Strukturieren des Trägermaterials und der damit verbundene reduzierte Wärmeeintrag, der zu einer unzureichenden Aktivierung des Additivs führen könnte, durch einen Überlappungsbereich der Einzelpulse ausgeglichen, was durch die Verwendung hoher Pulsrepetitionsraten, beispielsweise im Bereich zwischen 2 bis 2,5 MHz, ermöglicht wird.
  • Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltungsform wird auch dadurch erreicht, dass durch ein berührungsloses Messverfahren, insbesondere durch Verwendung elektromagnetischer Strahlung wie Röntgenstrahlung, die Position und/oder Orientierung zumindest einer elektronischen Komponente in dem Trägermaterial und anschließend eine Abweichung der Ist-Position und/oder Ist-Orientierung von der Soll-Position und/oder Soll-Orientierung bestimmt wird und daraus Korrekturwerte für die nachfolgende Bestrahlung des Trägermaterials mittels der gepulsten Laserstrahlung abgleitet werden und schließlich die Bestrahlung unter Berücksichtigung dieser Korrekturwerte durchgeführt wird. Hierdurch wird insbesondere bei der Einbettung einer oder mehrerer elektronischer Komponenten in eine Verbundmasse die individuelle Lageabweichung der elektronischen Komponente von der Sollposition bestimmt. Hierzu wird beispielsweise durch ein Röntgenverfahren die genaue Lage und Verdrehung der elektronischen Komponente bestimmt, und die Bestrahlung der aktivierbaren Additive oder der katalytisch aktiven Spezies unter Berücksichtigung der Korrekturwerte durchgeführt. Mittels einer Software kann so eine Anpassung der zu strukturierenden Leiterbahnen und Bohrungen an tatsächliche Position und Orientierung der elektronischen Komponente in dem Trägermaterial vorgenommen werden, wodurch Ausschuss vermieden und die Zuverlässigkeit erheblich gesteigert wird.
  • Wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung die Größe und/oder Masse der in dem Trägermaterial enthaltenen einzelnen Füllstoff-Partikel wesentlich größer ist als die Größe und/oder Masse der in dem Trägermaterial enthaltenen einzelnen Additivpartikel, kommt es durch die Größen- bzw. Massenunterschiede der Füllstoffpartikel einerseits und der Additivpartikel andererseits in überraschender Weise zu einer inhomogenen Verteilung der Additiv- und Füllstoffpartikel mit der Folge, dass sich im Verlauf der Verarbeitung des Trägermaterials die vergleichsweise großen bzw. schweren Füllstoffpartikel primär im inneren bzw. medialen Bereich des Trägermaterials sammeln, während demgegenüber die vergleichsweise kleinen bzw. leichten Additivpartikel in die randnahen Schichten des Trägermaterials verdrängt werden. Indem so die Konzentration des Additivs in den randnahen Schichten steigt, kann der Aktivierungsprozess dort wesentlich verbessert werden, der dadurch bereits mit geringer Strahlungsintensität durchgeführt werden kann, ohne dass hierzu die Gesamtmenge der zugesetzten Additive erhöht werden muss. Durch den so entsprechend reduzierten Anteil der Additive im Kern des Trägermaterials werden zugleich unerwünschte Änderungen sonstiger Materialeigenschaften vermieden. Beispielsweise sind in dem Trägermaterial 3 bis 15 Gewichtsprozent, vorzugsweise 6 bis 12 Gewichtsprozent, LDS-Additiv enthalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10132092 A1 [0003]
    • DE 102012010635 A1 [0005]

Claims (11)

  1. Verbundstruktur aus mindestens einer leitfähigen Struktur, einem Träger aus einem nichtleitendem Trägermaterial aus duroplastischem Kunststoff und mindestens einer elektronischen Komponente, wobei das nichtleitende Trägermaterial ein Additiv enthält, das infolge der Einwirkung einer Laserstrahlung in einem außenstromlosen Metallisierungsbad gebildete katalytisch aktive Spezies aufweist, wobei die leitfähige Struktur durch Bestrahlung mittels gepulster Laserstrahlung und anschließende außenstromlose Metallisierung gebildet ist.
  2. Verbundstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtleitende Trägermaterial zumindest einen anorganischen Füllstoff enthält.
  3. Verbundstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren anorganischen Füllstoffe einen maximalen Durchmesser von weniger als 50 µm aufweisen.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur aus mindestens einer leitfähigen Struktur, einem Träger aus einem nichtleitendem Trägermaterial aus duroplastischem Kunststoff und mindestens einer elektronischen Komponente mittels Laserstrahlung, wobei das nichtleitende Trägermaterial ein Additiv enthält, das durch Bestrahlung mit der Laserstrahlung nachfolgend in einem außenstromlosen Metallisierungsbad katalytisch aktive Spezies bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Struktur durch Bestrahlung mittels gepulster Laserstrahlung und anschließende außenstromlose Metallisierung gebildet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung durch eine teildurchlässige Maske auf den nichtleitenden Träger abgebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polygonscanner zur Positionierung der Laserstrahlung auf dem Träger verwendet wird.
  7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Positionierung der Laserstrahlung auf dem Träger mehrere, insbesondere vier, Galvanometer-Scanner verwendet werden.
  8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein resonanter Spiegel zur Positionierung der Laserstrahlung auf dem Träger verwendet wird.
  9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Laserstrahlung eine Pulsdauer von weniger als 100 Pikosekunden, insbesondere kleiner als 20 Pikosekunden, hat.
  10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsrepetitionsrate derart eingestellt wird, dass aufeinanderfolgende Pulse im Bereich eines jeweiligen zu aktivierenden Additivs oder eines Additivbereichs einander überlappend auf das Additiv oder den Additivbereich abgelenkt werden.
  11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein berührungsloses Messverfahren, insbesondere durch Verwendung von Röntgenstrahlung, die Ist-Position und/oder die Ist-Orientierung der elektronischen Komponente in dem Trägermaterial und anschließend eine Abweichung der Ist-Position und/oder der Ist-Orientierung von der Soll-Position und/oder der Soll-Orientierung bestimmt wird und daraus Korrekturwerte für die nachfolgende Bestrahlung des Trägermaterials mittels der gepulsten Laserstrahlung abgleitet werden und die Bestrahlung unter Berücksichtigung dieser Korrekturwerte durchgeführt wird.
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