DE19508835C1 - Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten mit leitfähigen Sacklöchern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten mit leitfähigen Sacklöchern, wo bei die Leiterplatten aus einem Dielektrikum bestehen, welches beidseitig mit leitfähigem Material, insbesondere Kupfer, versehen ist.

Elektrische Verbindungen zwischen den Schaltungslagen einer zweiseitigen Lei­ terplatte oder einer Mehrlagen-Leiterplatte, die sogenannten Durchkontaktierungen, werden in der Regel durch metallisierte Bohrungen hergestellt. Der An­ melderin ist ein Verfahren insbesondere zur Herstellung von dünnen, flexiblen Basismaterialien oder -laminaten mit Sacklöchern bekannt, wobei zunächst so­ wohl die Leiterplatte als auch die darauf vorhandenen Sacklöcher vollständig ausgebildet werden. Beim Drucken der Leitpaste für die Bauelemente wird gleichzeitig Lötpaste in die Sacklöcher gedrückt. Beim Aufschmelzen der Leit­ paste kommt es zu einer Lötverbindung der Anschlußfläche am Boden eines je­ den Sackloches mit der jeweiligen Anschlußfläche um den Bohrlochrand.

DE 41 30 637 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines für elektrische Verbindungen in einem Leistungs-Halbleitermodul geeigneten Verbindungs­ elements, das aus einer flexiblen, elektrisch isolierenden Folie besteht, welche auf der Oberseite mit einer Metallschicht versehen ist, die zu Leiterbahnen strukturiert sein kann. Die Folie weist an mindestens einer Stelle unter der Metallschicht eine Öffnung auf, welche durch Photo-Ablation hergestellt wird. Die Metallschicht wird dann auf ihrer Unterseite in den durch die Öffnungen in der Folie freigelegten Bereichen durch Aufbringen von Lot, z. B. im Siebdruckverfahren oder durch Wellenlöten, vorbelotet. Alternativ hierzu wird ein elektrisch leitfähiger Kleber auf die freigelegte Metallschicht im Siebdruck­ verfahren aufgetragen.

US 3 352 730 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer vielschichtigen Leiterplatte, bei welchem ein vorgelochter Isolierträger mit einer Metallfolie verbunden wird und dann elektrisch leitfähiges Material auf diesen Isolierträger vollflächig aufgetragen wird, wobei dessen Lochungen vollständig gefüllt werden, so daß die Metallfolie elektrischen Kontakt mit dem aufgebrachten elektrisch leitfähigen Material hat. Es folgt das Ätzen der Leiterbahnen auf der elektrisch leitfähigen Beschichtungsfläche. Das Verfahren bietet den Vorteil, in einem Arbeitsschritt eine elektrische Verbindung von einer Leiterbahnebene zur anderen herzustellen. Ferner ist es damit entbehrlich geworden, die Bohrungen durch die Leiterplatte nachträglich herstellen zu müssen und dabei eine Bohrtiefen-Kontrolle vorzusehen.

WO 83/03944 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Durch­ kontaktierungen, bei welchem Bohrungen im Isolatormaterial der Leiterplatte mit elektrisch leitfähigem Material gefüllt werden, welches sich bis zu der aufgebrachten Kupferfolie erstreckt und mit deren Unterseite im Bereich der Bohrungen verbunden ist. Diese Bohrungen werden in dem Isolatormaterial hergestellt durch chemisches Ätzen oder durch Laser-Abtrag. Ein Metallresist, z. B. Gold oder Nickel, wird dann auf die von den Bohrungen abgewandte Fläche der Kupferfolie aufgetragen. Anschließend wird ein ähnliches Resistmaterial durch die Bohrungen hindurch auf die durch diese freigelegten Kupferflächen aufgebracht. Es folgt das vollständige Füllen der Bohrungen mit elektrisch leitfähigem Material, z. B. Kupfer. Über die Bohrungen aus der Isolatorfläche herausragendes Material kann abgetragen werden. Auf die Füllungen der Bohrungen wird weiteres Metallresistmaterial aufgetragen. Danach wird die der Kupferfolie abgewandte Fläche des Isolatormaterials mit einer Metallfolie beschichtet, welche ebenfalls aus Kupfer bestehen kann. Das auf der erstgenannten Kupferfolie aufgetragene Metallresist wird anschließend entfernt und beide Kupferfolien-Flächen mit einem Photoresist-Muster entsprechend der gewünschten Leiterbahnen versehen. Ein Ätzmaterial, welches das Metallresistmaterial nicht, das Kupfer jedoch vollständig abzulösen in der Lage ist, ätzt die entsprechenden Leiterbahnen aus. Das Metallresist schützt die plattierten Löcher während des Ätzens.

Die Herstellung der Sacklöcher ist aufwendig, da ein Ausstanzen oder Bohren von Leiterplatten-Stapeln dabei nicht möglich ist. Jede Leiterplatte muß entwe­ der einzeln gebohrt werden, wobei auf eine kontrollierte Bohrtiefe geachtet wer­ den muß, oder die Sacklöcher müssen mit Hilfe von Laser-Abtrag oder Plasma­ ätzung hergestellt werden. Letztere Verfahren sind sehr teuer durchzuführen und bergen die Gefahr in sich, daß die Anschlußfläche am Boden des Sacklo­ ches entweder nicht vollständig von Dielektrikum freigelegt oder beschädigt und durchstoßen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches weniger kompliziert und in weniger Arbeitsschritten als im Stand der Technik durchgeführt werden kann. Eine Bohrtiefen-Kontrolle soll auch bei dünnen Basismaterialien entbehrlich und dennoch exakt gleiche Bohrtiefen aller Sacklöcher herstellbar sein. Ferner soll es möglich sein, mehrere Leiterplatten mit gleicher Konfiguration der Sacklöcher aus Mehrfachstapeln von einseitig mit je einer Kupferfolie beschichteten Basismaterialien gleichzeitig herzustellen.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren gemäß dem ersten Patent­ anspruch, vorteilhafte Ausgestaltungen tragen die Kennzeichen der jeweiligen Unteransprüche.

Das Verfahren geht von einem Basismaterial aus, welches aus einem einseitig mit einer ersten Kupferfolie beschichteten Dielektrikum besteht. Die andere, freie Seite des Dielektrikums hat klebende Eigenschaften, wobei diese durch einen auf dieser Fläche vorhandenen Kleber verursacht werden, welcher durch Ener­ gieeinwirkung aushärtbar ist. Der Kleber auf dem Dielektrikum darf keine merkli­ che Fließfähigkeit besitzen.

Dieses Basismaterial wird, einschließlich der ersten Kupferfolie, an den für die Sacklöcher vorbestimmten Stellen durchgelocht. Das kann z. B. durch Stanzen, Bohren oder Laserablation erfolgen.

Eine zweite Kupferfolie wird nunmehr auf die klebefähige Fläche des Basismate­ rials aufgebracht und der Kleber anschließend durch Einwirken der hierzu erfor­ derlichen Energie ausgehärtet. Diese Energie wird in Form von Wärme- oder an­ derer energiereicher Strahlungen zugeführt.

Die nicht als Leiterbahnen vorgesehenen Kupferflächen auf beiden Seiten des Basismaterials werden weggeätzt und dann eine Lötstoppmaske auf die erste Kupferfolie aufgedruckt. Dabei läßt man die elektrischen Anschlußflächen und die Öffnungen der Sacklöcher frei. Diese werden mit Lötpaste gefüllt. Es folgt das Aufschmelzen der Lochöffnungen mittels Wärmeenergie in einem Reflow- Ofen, wobei die Sacklöcher zu metallisierten Durchkontaktierungen ausgebildet werden.

Das Erzielen einer Klebefähigkeit der mit der zweiten Kupferfolie zu beschichten­ den Fläche des Basismaterials kann durch eine höchstens 25 µm dicke Kleber­ schicht erfolgen, welche nach dem Aufbringen auf die Fläche durch Trocknen in einen nicht mehr fließfähigen Zustand gebracht wird, wobei jedoch die Klebefä­ higkeit bestehen bleibt. Der Kleber darf also nicht voll ausgehärtet sein. Es eignen sich hierfür z. B. das getrocknete, unter Druck und Hitze klebefähige Harzsystem, wie es in DE 41 02 473 C2 beschrieben ist.

Es besteht aus der 50%igen, wäßrigen Dispersion eines thermisch vernetzbaren Copolymerisats mit einer Glasübergangstemperatur von +33°C aus Acryl­ säureestern und Styrol und aus der 60%igen, wäßrigen, Methylolgruppen ent­ haltenden Lösung eines Amino- oder Phenoplast-Vorkondensats. Roter Phosphor und Ammoniumpolyphosphat können zur Verbesserung der Flammfestigkeit ein­ gearbeitet sein. Das Verhältnis (trocken) der wäßrigen Dispersion zu der Lösung des Vorkondensats beträgt 1 : 0,8 bis 10 : 2,0.

Das getrocknete und mit Kupferfolie beschichtete Basismaterial besitzt latent klebende Eigenschaften, so daß auch die zweite Kupferfolie unter Druck und Wärme, bei gleichzeitiger vollständiger Aushärtung des Harzes, mit dem Vlies­ stoff- oder Papiersubstrat haftend verbunden werden kann.

Ebenso verwendbar sind handelsübliche Acrylkleber, welche nach dem Auftra­ gen eine klebefähige, später aushärtbare Schicht bilden.

In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens benötigt man keine eigene Kleber­ schicht, sondern nutzt die Klebefähigkeit eines Vliesstoff-Prepregs, wie es ebenfalls in DE 41 02 473 C2 beschrieben ist. Es handelt sich dabei um einen imprägnierten Vliesstoff- oder Papierträger, der mit einer ersten Kupferfolie beschichtet ist. Die Imprägnierung besteht wieder aus dem oben bereits als Beschichtung beschriebenen, getrockneten Harzsystem aus Copolymerisat, Vorkondensat und gewünschtenfalls Flammschutzmitteln. Die Eintragsmenge (trocken) der Imprägnierung beträgt 30 bis 60 g/m².

Dieses Prepreg zeichnet sich durch seine hohe Dimensionsstabilität, Haft­ festigkeit zu Kupfer und No-Flow-Charakteristik aus. Darauf wird eine erste Kupferfolie aufkaschiert, und das so erzeugte einseitige Basismaterial getrocknet, ohne daß das Prepreg voll aushärten gelassen wird. Dann werden Durchgangslöcher für die späteren Durchkontaktierungen hergestellt, entweder durch Bohren im Mehrfachstapel oder durch Stanzen des Einzelnutzens.

Das einseitige Basismaterial kann unter Druck und Hitze direkt mit der zweiten Kupferfolie ganzflächig verklebt werden; eines zusätzlichen Klebers bedarf es hierbei nicht. Von Vorteil ist weiter, daß die Imprägnierung schon bei Raum­ temperatur innerhalb von 10 Minuten trocknet und wochenlang lagerfähig ist, ohne die klebende Eigenschaft zu verlieren. Das Basismaterial hält allen Anfor­ derungen der weiteren Verarbeitung zu flexiblen gedruckten Schaltungen stand.

Wie die klebefähige Fläche auch ausgebildet ist, so ist es in jedem Fall von Vor­ teil, diese vor der Beschichtung mit der zweiten Kupferfolie mit einer ablösbaren Schutzfolie abzudecken, um ein Verschmutzen und gegebenenfalls einen unge­ wollten Verlust der Klebefähigkeit an einzelnen Flächenzonen zu vermeiden.

Oft wird man mehrere Leiterplatten mit gleicher Konfiguration der Sacklöcher herstellen wollen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nunmehr mög­ lich, Mehrfachstapel des einseitig mit der ersten Kupferfolie beschichteten Ba­ sismaterials gleichzeitig durch Bohren mit den entsprechenden Lochungen zu versehen.

Vorteilhafterweise wird auf die zweite Kupferfolie vor deren Aufpressen auf das Bandmaterial eine Druckausgleichsfolie aus Polypropylen oder aus PVC gelegt. Diese Maßnahme bewirkt, daß unter Preßdruck die zweite Kupferfolie über jeder Bohrung eine Ausbeulung in Richtung der Bohrungsmitte erfährt. Dieser Verfah­ rensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Durchlötverfahren um so leichter und sicherer gestaltet werden kann, je näher die Anschlußfläche am Sacklochboden zum Anschlußring um die Sacklochöffnung liegt. Auch bei Ba­ sismaterialien über 100 µm Dicke kann man somit den Sacklochboden näher zur Sacklochöffnung liegend gestalten.

In jedem Falle ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewährleistet, daß alle Sacklöcher zuverlässig und ohne aufwendige Maßnahmen die gleiche Tiefe auf­ weisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielhaft in den Figuren dargelegt. Es zeigen

Fig. 1 die Aufbaufolge einer zweiseitigen Leiterplatte

Fig. 2 bis 4 die Verformung eines Sacklochbodens zur Verbesserung der Durchlöteigenschaften (Fig. 3 mit gedruckter Lötpaste und Fig. 4 mit Sackloch­ verbindung nach dem Aufschmelzen der Lötpaste).

Es sei Fig. 1 betrachtet: Die freie Fläche des Basismaterials 2 mit erster Kupfer­ folie 1 wird mit einer Kleberschicht 4 versehen, worauf das gesamte Basismat­ erial gelocht wird (Querschnittsdarstellungen a, b und c). Auf die Kleberschicht 4 wird die zweite Kupferfolie 3 aufgebracht (Fig. b).

Fig. 1e zeigt das Bauteil nach der Ätzung: Die Lötstoppmaske 5 läßt die Sack­ löcher 11 auf der Seite der Anschlußflächen 12, sowie die Anschlußflächen 13 und 23 für die Bauteile auf beiden Seiten der Leiterplatte, frei. Sie bedeckt die Anschlußfläche 22 für die Durchkontaktierung am Sacklochboden. Die ober- und unterseitigen Leiterbahnen sind dabei bereits geätzt.

Fig. 1f zeigt die Leiterplatte mit der Lotverbindung 15 über und in dem Sack­ loch sowie auf einer oberen Anschlußfläche der ersten Leiterplatte.

Fig. 2 zeigt den Bereich der Ausbeulung der zweiten Kupferfolie 3 nach dem Ät­ zen der Leiterbahnen in die Mitte des Sacklochs 11 hinein. Das Sackloch wird gemäß Fig. 3 mit Lötpaste 14 ausgefüllt. Die fertige Lotverbindung 15 im Be­ reich der Anschlußfläche für die Durchkontaktierung um den Sacklochrand 12 ist in Fig. 4 dargestellt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten mit leitfähigen Sacklöchern durch die folgenden Verfahrensschritte:

• - Bereitstellen eines einseitig kupferkaschierten Basismaterials, dessen kupferfreie Seite ganzflächig mit einem teilgehärteten, nicht fließenden Kleber beschichtet ist,
• - Lochen des Basismaterials an den für die Sacklöcher vorbestimmten Stellen,
• - Aufpressen einer zweiten Kupferfolie auf die kleberbeschichtete Fläche des Basismaterials und anschließendes Aushärten des Klebers durch Energiezufuhr,
• - Ausbilden der Leiterstrukturen mittels an sich bekannter Photo-/ Ätzverfahren, wobei die Löcher/Bohrungen durch die zweite Kupferfolie bedeckt bleiben,
• - Aufbringen einer Lötstoppmaske auf die erste Kupferfolie unter Freilassung der elektrischen Anschlußflächen und der Öffnungen der Sacklöcher,
• - Füllen der Sacklöcher mit Lötpaste und Auf-/Umschmelzen der Paste in einem Reflow-Ofen zur Herstellung von metallisierten Durchkontaktierungen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des teilgehärteten Klebers maximal 25 µm beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ba­ sismaterial einen mit Copolymeren enthaltendem, trockenem, aushärtbarem Harz imprägnierten Vliesstoff- oder Papierträger gemäß DE 41 02 473 C2 verwendet, welcher einseitig mit einer ersten Kupferfolie beschichtet ist, und daß man nach dem Vorgang des Lochens auf dessen unbeschichtete Fläche die zweite Kupferfolie direkt unter Hitzeeinwirkung aufpreßt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die klebefähige Fläche des Basismaterials bis zum Auflegen der zweiten Kupferfolie mit einer ablösbaren Schutzfolie abdeckt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man das Lochen durch gleichzeitiges Bohren von Mehrfach­ stapeln des Basismaterials vornimmt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die zweite Kupferfolie eine Druckausgleichsfolie legt und auf diese beiden Folien beim Aufpressen auf das Basismaterial einen derartigen Druck aus­ übt, daß die zweite Kupferfolie eine bleibende Ausbeulung in Richtung der Mitte der Bohrungen erfährt.