DE102019133955A1 - Method for producing a composite structure from at least one conductive structure - 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.The invention relates to a method for producing a composite structure from at least one conductive structure, a carrier made from a non-conductive carrier material made of thermosetting plastic and at least one electronic component, the non-conductive carrier material containing an additive that is catalytically formed as a result of the action of laser radiation in an electroless metallization bath having active species. By using pulsed laser radiation, a quasi-athermal processing of the carrier material is achieved by directly evaporating the material due to the extremely high peak intensities so that no or almost no melt is produced.
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.The invention relates to a composite structure made of at least one conductive structure, a carrier made of a non-conductive carrier material made of thermosetting plastic and at least one electronic component, the non-conductive carrier material containing an additive which has catalytically active species formed as a result of the action of laser radiation in an electroless plating bath. The invention also relates to a method for producing such a composite structure.
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 a process that has become known as laser direct structuring (LDS), carrier materials are injection-molded as molded parts in one-component injection molding with plastic granulate with special additives. Using lasers, the additives can be converted into catalytically active germs in a physico-chemical reaction in a location-selective manner, with metal being deposited on the areas treated in this way in a subsequent chemical metallization bath.
In der
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.Due to technological limitations, track gauges of at least 150 µm can now be reliably produced using the LDS process. In order to further advance the desired miniaturization of the MID, it is essential to further reduce this limitation. For this purpose, great efforts are made to focus the laser radiation further and to guide it more precisely over the surface of the molded part.
Die
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.A disadvantage when carrying out the method for producing electrically conductive structures on or on a non-conductive carrier material by laser activation, for example in the case of conductor tracks, has proven in practice, especially with thermosetting plastics as carrier material, to be the foreign deposits that occur. Since thermosets do not melt but are decomposed, considerable amounts of carbon are released, which is catalytically active in an electroless plating bath.
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.During the subsequent metallization of the metal atoms, there is undesirable foreign deposition outside the machined area on the catalytically active removal products in the metallization bath. If there is a small spacing between the conductor tracks, this foreign deposition can lead to short circuits in practice. These removal products also prove to be so problematic because, due to their high temperature, they reconnect with the plastic surface outside the structured surfaces during decomposition and can therefore hardly be removed. These problems arise with increasing miniaturization of the structures to be produced not only with thermosets, but in principle with all plastics.
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.If the temperature during structuring is too high, the ablation products become so hot that they stick firmly to the surface of the carrier material, which can then no longer be reliably cleaned. The adhering, catalytically active ablation products lead, in particular in the area of recesses, to “collar formation” due to external deposition in the edge area of the recesses. Although it has been shown in practice that this effect can be minimized by significantly reducing the laser power, this results in a significantly longer cycle time.
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.The invention is therefore based on the object of creating a composite structure and a method in which impairment of the conductive structure produced in this way on the carrier material due to removal products is substantially reduced. In particular, according to the invention, a further reduction in the structure sizes of the electrically conductive structures is to be made possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Verbundstruktur gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved according to the invention with a composite structure according to the features of claim 1. The further embodiment of the invention can be found in the subclaims.
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.According to the invention, a composite structure is provided in which the non-conductive carrier material contains an additive which has catalytically active species formed as a result of the action of laser radiation, the conductive structure being irradiated by means of pulsed laser radiation, in particular an ultrashort pulse laser, and by subsequent metallization in the metallization bath is formed. By using pulsed laser radiation, according to the invention, with the correct choice of parameters, a quasi-athermal processing of the carrier material is achieved by the Material is evaporated directly due to the extremely high peak intensities, so that no or almost no melt is produced. The pulses are so short that during the pulse duration there is no transfer of the energy in lattice vibrations and thus in an increase in temperature. It is assumed that the energy introduced by the ultrashort pulse corresponds to the energy required to evaporate the material, so that no further energy is available for thermalization.
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.Contrary to the prejudice of experts, who previously assumed that the activation of the metal compounds and the formation of catalytically active nuclei in the laser-activated areas corresponds to a thermal process that requires high temperatures to break up the additive particles, the invention is based on the surprising finding, that not the thermal energy input, but the maximum intensity forms the basis and thus creates the cause and necessary prerequisite for the activation of the metal compounds.
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.It proves to be particularly advantageous if the non-conductive carrier material contains at least one inorganic filler with a maximum particle size of 50 μm. In this way, filler materials can also be used that are not destroyed or split by the acting laser radiation because, due to their small particle size, they do not impair or hinder subsequent machining processes, for example the introduction of recesses such as bores including through bores or blind holes. The fillers can thus be selected without restriction according to the desired technical properties of the thermoset, for example with regard to viscosity, CTE (coefficient of thermal expansion) or the solidification time.
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.The object according to the invention is also achieved with a method in which the non-conductive carrier material contains an additive and the conductive structure is formed by irradiation by means of pulsed laser radiation and subsequent electroless metallization in a metallization bath.
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.The invention is thus based on the surprising finding that the method for producing an electrically conductive structure by laser activation of the metal compounds contained in the additive, in particular with ultrashort pulse lasers, in particular also with thermosets, can be used without problems and has the advantage that fewer foreign deposits occur.
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.For the first time, a method for direct laser structuring is created which, on the one hand, reliably achieves the energy input required for laser activation, but, on the other hand, restricts the heating in such a way that not only significantly fewer abrasion products arise, but also their temperature is so low that adhesion to the carrier material is very low and they can therefore be easily removed.
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.According to the invention, particularly fine electrically conductive structures can be produced in this way because the avoidance of foreign deposits also prevents the associated risk of short circuits. As a result, the structure width and the spacing between the structures can be reduced.
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.Another particularly promising embodiment of the method according to the invention is also achieved when the number of laser pulses per second (pulse repetition rate) is dimensioned so large, for example 2 to 2.5 MHz, that successive pulses in the area of a respective additive particle to be activated or an additive area act with overlapping areas of influence. As a result, several successive pulses always act on each additive particle or each additive area, whereby the energy input is correspondingly increased.
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.This achieves a precise temperature management, which rules out the fact that the thermal energy coupling into the carrier material is so low that the temperature is not sufficient to reduce the additive, for example a Cu-Cr spinel, to elemental copper and thus the catalytically active species for the desired metallization do not arise or do not arise reliably and in particular irregular partial metallizations occur. In addition, the overlapping areas of action of successive pulses also ensure that the temperature during structuring is not too high, so that, in contrast to the prior art, the ablation products do not get hot and can therefore adhere to the carrier material in an undesirable manner in such a way that they do not stick can be removed more reliably.
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 this way, the particularly disadvantageous adhering, catalytically active ablation products in the area of bores as so-called “collar formation”, in particular, are reliably avoided in the prior art. According to the invention, this does not increase the cycle time. By using ultrashort pulse lasers from a picosecond laser source, considerably less heat is generated during the ablation. This prevents the generation of hot ablation products during drilling and the formation of collars even at higher powers. The use of higher Performance leads to higher removal rates, whereby the cycle time can even be reduced in practice.
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.In a particularly advantageous way, the change from nanosecond to picosecond pulses with otherwise constant parameters when structuring the carrier material and the associated reduced heat input, which could lead to insufficient activation of the additive, is compensated for by an overlapping area of the individual pulses, which is due to the use of higher Pulse repetition rates, for example in the range between 2 to 2.5 MHz, is made possible.
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.Another embodiment that is also particularly promising is achieved by using a contactless measuring method, in particular using electromagnetic radiation such as X-rays, to determine the position and / or orientation of at least one electronic component in the carrier material and then a deviation from the actual position and / or the actual orientation is determined from the nominal position and / or nominal orientation and correction values for the subsequent irradiation of the carrier material by means of the pulsed laser radiation are derived therefrom and, finally, the irradiation is carried out taking these correction values into account. In this way, especially when one or more electronic components are embedded in a composite mass, the individual positional deviation of the electronic component from the target position is determined. For this purpose, the exact position and rotation of the electronic component is determined, for example, by an X-ray method, and the activatable additives or the catalytically active species are irradiated, taking the correction values into account. Software can be used to adapt the conductor tracks and holes to be structured to the actual position and orientation of the electronic component in the carrier material, thereby avoiding rejects and considerably increasing reliability.
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.If, according to a preferred development, the size and / or mass of the individual filler particles contained in the carrier material is significantly greater than the size and / or mass of the individual additive particles contained in the carrier material, this is due to the size or mass differences of the filler particles and the additive particles, on the other hand, surprisingly lead to an inhomogeneous distribution of the additive and filler particles, with the result that, in the course of processing the carrier material, the comparatively large or heavy filler particles collect primarily in the inner or medial area of the carrier material, while the comparatively small or light additive particles are displaced into the layers of the carrier material close to the edge. As the concentration of the additive in the layers close to the edge increases in this way, the activation process can be significantly improved there, which can be carried out with low radiation intensity without the total amount of added additives having to be increased for this purpose. The correspondingly reduced proportion of additives in the core of the carrier material also avoids undesirable changes in other material properties. For example, 3 to 15 percent by weight, preferably 6 to 12 percent by weight, of LDS additive are contained in the carrier material.
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