DE3305564C1

DE3305564C1 - Verfahren zum Aufbau von metallisierten Leiterbahnen und Durchkontaktierungen an gelochten Leiterplatten

Info

Publication number: DE3305564C1
Application number: DE19833305564
Authority: DE
Inventors: Winfried Gruhl; Klaus-Dieter 1000 Berlin Heppner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Wincor Nixdorf International GmbH
Priority date: 1983-02-15
Filing date: 1983-02-15
Publication date: 1984-03-22

Description

Die Behandlung der Leiterplatten erfolgt während der einzelnen Behandlungsvorgänge insofern in gleicher Weise, als jeweils eine Leiterplatte oder mehrere Leiterplatten an einem Träger befestigt sind und einer oder mehrere dieser Träger gemeinsam in das Bad eingetaucht werden. Die Träger sind dabei so gehalten und angetrieben, daß sie eine mäßig ausgeprägte reversierende Bewegung durchführen. Damit wird eine leichte Relativbewegung zwischen den Leiterplatten und der Badflüssigkeit erzielt, wobei dies nur in einem verhältnismäßig geringen Umfang für die Innenwände der Löcher und die in den Löchern befindliche Badflüssigkeit zutrifft. Ähnliches gilt auch für ein aus der DE-OS 28 13 001 bekanntes Verfahren, bei dem die Leiterplatten einer Vibrationsbewegung unterworfen werden. Aus der US-PS 31 94 681 ist ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von leitfähigem Material auf aus dielektrischem Material bestehenden Platten bekannt, das eine Ultraschallanregung einer das leitfähigen Materials enthaltenden Lösungsflüssigkeit vorsteht Durch die damit erzeugte Relativbewegung zwischen benachbarten Metallionen wird eine besonders gleichmäßige und fest haftende Beschichtung der Platten und auch der Lochbereiche derselben erzielt.
Wesentliche Verringerungen der Behandlungszeiten gegenüber Verfahren ohne Relativbewegungen innerhalb der Flüssigkeit oder zwischen Flüssigkeit und zu beschichtenden Platten sind mit diesen bekannten Verfahren nicht erreichbar.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den Zeitbedarf für den Aufbau von metallisierten Leiterbahnen und Durchkontaktierungen gelochter Leiterplatten zu verringern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Leiterplatten zumindest innerhalb der Metallisierbäder derart gerichtet angeströmt werden, daß die Badflüssigkeit durch die Löcher der Leiterplatten mit einer Geschwindigkeit hindurchtritt, die größer als 0,05 m/sec, vorzugsweise größer als 0,1 m/sec und kleiner als 10 m/sec, vorzugsweise kleiner als 5 m/sec, bemessen ist.
Versuche haben gezeigt, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise für die chemische Kupferabscheidung an den Lochwandungen in einer Schichtdicke von 0,2 um mindestens eine Halbierung des Zeitbedarfs bekannter Verfahren erreichen läßt. Bei Einstellung einer optimalen Durchtrittsgeschwindigkeit und Erzeugung einer möglichst alle Löcher in gleicher Weise erfassenden Anströmung läßt sich sogar eine Reduzierung auf ein Viertel erzielen. Ähnliche Werte gelten auch für den Verfahrensschritt des elektrolytischen Verkupferns. Sofern - wie eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vorsieht - in einem dem Bad zur chemischen Verkupferung nachgeschalteten Bad zur elektrolytischen Metallisierung eine in Abhängigkeit von der Größe der gewählten Durchtrittsgeschwindigkeit zwischen 4 A/dm2 und 40 A/dm2 betragende Stromdichte eingestellt ist, können Reduzierungen auf weniger als ein Fünftel des bisherigen Zeitbedarfs erzielt werden. In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Stromdichte während der Verkupferung von einem anfänglich geringen Wert, vorzugsweise in einem Schritt, auf einen mindestens dreifachen Wert gesteigert wird. Damit wird eine Ablagerung der ersten Kupferkeime begünstigt, dennoch aber insgesamt eine kurze Verweilzeit der Leiterplatten im Bad erreicht. Die elektrolytische Verstärkung der Leiterbahnen kann dagegen durchgängig mit einer in Abhängigkeit von der gewählten Durchtrittsgeschwindigkeit zwischen 4 und 40 A/dm2 eingestellten Stromdichte erfolgen. Noch höhere Stromdichten, nämlich zwischen 10 und 100 A/dm2 sind beim elektrolytischen Aufbringen eines Ätzresists in Form von Zinn oder Bleizinn möglich.
Ausgeprägte Zeiteinsparungen, die häufig einen größer als 5 betragenden Verringerungsfaktor implizieren, sind auch in den Behandlungsstufen Konditionieren, Reinigen, Spülen, Aktivieren und Reduzieren zu erzielen.
Aus der DE-AS 12 37 658 ist ein Verfahren zur Vorbereitung der Metallisierung der Löcher in Isolierstoffplatten für gedruckte Leiterplatten bekannt, bei dem die gelochten Isolierstoffplatten übereinander gestapelt werden und zwischen zwei Stempeln, die an den den zu metallisierenden Löchern entsprechenden Stellen ebenfalls gelocht sind, zusammengepreßt werden, woraufhin durch die Löcher in den Stempeln und Isolierstoffplatten eine Katalysatorflüssigkeit zur Vorbereitung der anschließenden eigentlichen Metallisierung hindurchgeleitet wird. Dieses Hindurchleiten der Katalysatorflüssigkeit durch die Löcher in den Isolierstoffplatten ist dabei zu dem Zweck vorgesehen, die sonst nicht zu Verhindernde gleichzeitige Bedeckung der Plattenoberflächen mit dem Katalyten an Stellen, an denen kein Metallniederschlag erwünscht ist, zu verhindern. Die eigentliche Metallisierung, d. h. im allgemeinen chemische und/oder elektrolytische Verkupferung, wird dagegen konventionell, d.h. durch Eintauchen der Platten in ein Bad, vorgenommen.
Wesentlicher Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist neben dem eigentlichen gerichteten Anströmen der Leiterplatten, das zu einem Durchtritt der Badflüssigkeit durch Löcher der Leiterplatten führt, auch eine bestimmte Bemessung dieser Durchtrittsgeschwindigkeit, wobei sich für unterschiedliche Bäder teilweise unterschiedliche optimale Durchtrittsgeschwindigkeiten ergeben.
So ist z. B. gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß in einem einem Bad zur chemischen Verkupferung vorgeschalteten Bad zur Aktivierung der Wandfläche der Löcher eine kleiner als 2 m/sec bemessene Durchtrittsgeschwindigkeit eingestellt ist. Mit Hilfe dieses Aktivierungsbades wird die Schichtpreßstoffoberfläche innerhalb der Bohrungen für die nachfolgende chemische Verkupferung vorbereitet, indem beispielsweise in der Badflüssigkeit enthaltene Palladium-Keime gemeinsam mit Schutzkolloiden auf der Oberfläche abgelagert werden. Es zeigt sich nun daß bei Durchtrittsgeschwindigkeiten, die 2 m/sec übersteigen, die durch die Löcher hindurchtretende Flüssigkeit teilweise die bereits abgelagerten Palladium-Keime wieder wegreißt. Die gleiche Maximalgeschwindigkeit sollte auch in einem dem Bad zur Aktivierung der Wandfläche der Löcher nachgeschalteten Bad zur Beeinflussung des Wandflächenauftrages nicht überschritten werden, da sonst neben den in diesem Arbeitsgang abzutragenden Schutzkolloiden ebenfalls Palladium-Keime mit abgetragen werden können.
Eine weitere Spezifizierung optimaler Durchtrittsge--schwindigkeiten für einzelne Phasen des Aufbaus gelochter Leiterplatten besteht darin, daß in einem Bad zur chemischen Verkupferung die Durchtrittsgeschwindigkeit während der Verweilzeit der Leiterplatten von einem anfänglich verhältnismäßig kleinen Wert auf einen mindestens doppelt so großen Wert gesteigert wird. Es ist dabei als bevorzugte Realisierung anzusehen, daß diese Erhöhung der Durchtrittsgeschwindigkeit kontinuierlich bzw. in mehreren Stufen eingestellt wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung bezweckt, eine möglichst gleichmäßige Schichtdicke der Leiterbahnen auch dann zu erzeugen, wenn die Häufigkeit von Löchern in einzelnen Plattenbereichen sehr unterschiedlich ist. In diesem Zusammenhang wird vorgesehen, daß die Anströmung derart erzeugt ist, daß neben einer Strömungskomponente in Richtung der Lochachsen eine leiterplattenparallel, vorzugsweise in Längsrichtung der Leiterplatte gerichtete weitere Strömungskomponente auftritt. Diese zusätzliche Strömungskomponente trägt dazu bei, daß die Strömungsgeschwindigkeit entlang der angeströmten Oberfläche der Leiterplatte möglichst geringe Unterschiede aufweist.
Die der angeströmten Oberfläche der Leiterplatte gegenüberliegende zweite Fläche derselben ist an sich keiner direkt erzeugten Strömung der Behandlungsflüssigkeit ausgese#tzt; durch geeignete Gestaltung der Lage und der Größe eines Ablaufs kann jedoch erreicht werden, daß eine verhältnismäßig dünne Flüssigkeits säule in der Praxis-etwa 10 mm L auf der Oberfläche garantiert ist, wobei durch die permanent aus den Löchern austretende Badflüssigkeit eine Strömung in Richtung auf den Auslauf erzielt ist. Die Strömungsgeschwindigkeit kann dabei ähnliche Werte wie die Strömungsgeschwindigkeit an der direkt angeströmten Fläche der Leiterplatte annehmen. -Um eine größere Freizügigkeit in der Einstellung unterschiedlicher Durchtrittsgeschwindigkeiten zu erzielen, können jedoch Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens derart ausgebildet sein, daß sie eine Drehung der Leiterplatte in dem- Sinn möglich machen, daß beide Seiten der Leiterplatte nacheinander angeströmt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und sieht vor, daß jedes Bad eine Kammer aufweist, die durch Einbringen der zu behandelnden Leiterplatten in zwei Kammerbereiche unterteilt wird, von denen eine an eine an die Druckseite einer Pumpe geführte Zuleitung angeschlossen ist Verhältnismäßig gleiche Anströmbedingungen für die einzelnen Bereiche der Leiterplatte können dabei dadurch erzielt werden, daß die Zuleitung an ein im Kammerbereich angeordnetes Rohr mit Öffnungen angeschlossen ist. Dieses Rohr kann zweckmäßigerweise in seinen Längs- und Querabmessungen an den entsprechenden Abmessungen der Leiterplatte orientiert sein.
Eine, beispielsweise wegen deutlich unterschiedlicher Verteilung der Löcher über die Leiterplatte notwendige Querströmung kann bei dieser Vorrichtung dadurch erzielt werden, daß im Nachbarbereich der Leiterplatte, vorzugsweise neben einer ihrer kurzen Kanten mindestens eine weitere Verbindungsöffnung zwischen beiden Kammerbereichen besteht. Die Flüssigkeit tritt also nicht nur durch die Löcher der Leiterplatte, sondern auch durch die Verbindungsöffnung aus, wobei durch die unsymmetrische Anordnung der letzteren eine entsprechende Querströmung verursacht ist.
Die insgesamt kurze Verweilzeit der Leiterplatten in den Bädern bietet den Vorteil, die Phase des Aufbaus der Leiterbahnen und Durchkontaktierungen in den Fertigungsprozeß der Herstellung von Flachbaugruppen zu integrieren. Eine vorteilhafte Realisierung dieser Integration besteht darin, daß alle Bäder entlang einer die Leiterplatten aufnehmenden Fördervorrichtung angeordnet sind und daß die förderrichtungsparallele Länge der einzelnen Bäder jeweils proportional zur Verweilzeit der Leiterplatten in dem jeweiligen Bad bemessen ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Durch Wandungen 1, 2 ist eine Kammer gebildet, die zwei Kammerbereiche 3, 4 aufweist. In der Trennebene zwischen den beiden Kammerbereichen 3, 4 ist eine Halterung 5 vorgesehen, auf die ein Träger 6 mit einer von ihm eingespannten Leiterplatte 7 aufgesetzt werden kann. Der Träger 6 kann in dieser Lage mittels Befestigungselementen 8 automatisch eingespannt werden. Neben Durchtrittsöffnungen 9 der Leiterplatte 7 ist in einem seitlichen Bereich eine Öffnung 10 vorgesehen, die sich über nahezu die gesamte Breite der Leiterplatte 7 erstreckt und dem Aufbau einer Querströmung an der Unterseite der Leiterplatte 7 dient.
Die Anströmung der Leiterplatte 7 erfolgt durch ein Rohr 11, das Öffnungen 12 aufweist. Mit Hilfe eines schaltbaren Ventils 13 wird die Zufuhr der Behandlungsflüssigkeit in die Kammer 4 gesteuert.
Etwas oberhalb der oberen Fläche der Leiterplatte 7 befindet sich ein Auslaß 14, durch den die durch die Löcher 9 der Leiterplatte 7 hindurchgetretene Behandlungsflüssigkeit zu einer nicht dargestellten Pumpe zurückgeführt wird.
Bei Einsatz einer derartigen Vorrichtung und der damit erzwungenen gerichteten Anströmung der Löcher 9 der Leiterplatte 7 läßt sich die Summe der Behandlungszeiten der Leiterplatte 7 auf weniger als ein Fünftel der Gesamtbehandlungszeit mit bekannten Verfahren senken.
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Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Aufbau von metallisierten Leiterbahnen und Durchkontaktierungen an gelochten Leiterplatten, mittels jeweils mehrerer Bäder zur Vorbereitung, Durchführung und Nachbehandlung der Metallisierung, dadurch gekennzeichn e t, daß die Leiterplatten (7) zumindest innerhalb der Metallisierbäder derart gerichtet angeströmt werden, daß die Badflüssigkeit durch die Löcher (9) der Leiterplatten (7) mit einer Geschwindigkeit hindurchtritt, die größer als 0,05 m/sec, vorzugsweise größer als 0,1 m/sec, und kleiner als 10 m/sec, vorzugsweise kleiner als 5 m/sec, bemessen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einem Bad zur chemischen Verkupferung vorgeschalteten Bad zur Aktivierung der Wandfläche der Löcher (9) eine kleiner als 2 m/sec bemessene Durchtrittsgeschwindigkeit eingestellt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem Bad zur Aktivierung der Wandfläche der Löcher (9) nachgeschalteten Bad zur Beeinflussung des Wandflächenauftrags eine kleiner als 2 m/sec bemessene Durchtrittsgeschwindigkeit eingestellt ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bad zur chemischen Verkupferung die Durchtrittsgeschwindigkeit während der Verweilzeit der Leiterplatten (7) von einem anfänglich verhältnismäßig kleinen Wert auf einen mindestens doppelt so großen Wert gesteigert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem Bad zur chemischen Verkupferung nachgeschalteten Bad zur elektrolytischen Verkupferung eine in Abhängigkeit von der Größe der gewählten Durchtrittsgeschwindigkeit zwischen 4 A/dm2 und 40 A/dm2 betragende Stromdichte eingestellt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte während der Verkupferung von einem anfänglich geringen Wert, vorzugsweise in einem Schritt, auf einen mindestens dreifachen Wert gesteigert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch- gekennzeichnet, daß in Bädern zum Konditionieren der Wandfläche der Löcher (9) Durchtrittsgeschwindigkeiten von wenigstens 2 m/sec eingestellt sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Bädern zum Reinigen und Spülen der Leiterplatten (7) Durchtrittsgeschwindigkeiten von wenigstens 2 m/sec eingestellt sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bad zur elektrolytischen Verzinnung bzw. Verbleizinnung eine in Abhängigkeit von der Größe der gewählten Durchtrittsgeschwindigkeit zwischen 10 A/dm2 und 100 A/dm2 betragende Stromdichte eingestellt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmung derart erzeugt -ist, daß neben einer Strömungskomponente in Richtung der Lochachsen eine leiterplattenparallel, vorzugsweise in Längsrichtung der Leiterplatte, gerichtete weitere Strömungskomponente auftritt
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bad eine Kammer aufweist, die durch'Einbringen zu behandelnder Leiterplatten (7) in zwei Kammerbereiche (3, 4) unterteilt wird, von denen einer (4) an eine an die Druckseite einer Pumpe geführte Zuleitung angeschlossen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung an mindestens ein im Kammerbereich (4) angeordnetes Rohr (11) mit Öffnungen (12) zur Vergleichmäßigung der Anströmung angeschlossen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Nachbarbereich der Leiterplatte (7), vorzugsweise neben einer ihrer kurzer Kanten, mindestens eine weitere Verbindungsöffnüng (10) zwischen beiden Kammerbereichen (3, 4) besteht.
14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bäder entlang einer die Leiterplatten (7) aufnehmenden Fördervorrichtung angeordnet sind und daß die förderrichtungsparallele Länge der einzelnen Bäder jeweils proportional zur Verweilzeit der Leiterplatten (7) in dem jeweiligen Bad bemessen ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau von metallisierten Leiterbahnen und Durchkontaktierungen an gelochten Leiterplatten, mittels jeweils mehrerer Bäder zur Vorbereitung, Durchführung und Nachbehandlung der Metallisierung.

Die gelochten Leiterplatten bestehen zumeist aus einem Schichtpreßstoff, auf dem dünne Kupferfolien aufgewalzt oder chemisch bzw. chemisch/galvanisch abgeschieden werden. Mit Hilfe von Fotomasken oder Drucksieben werden dann die Leiterbahnen in einer Fotolacktechnik bzw. Siebdrucktechnik aufgebracht und anschließend freigeätzt. In Abhängigkeit vom Ausgangszustand bzw. von Aufbau und Dicke der Kupferkaschierung der Leiterplatten werden ausschließlich abtragende Verfahren, ausschließlich aufbauende Verfahren oder gemischte Verfahren, sogenannte Additiv-Subtraktivverfahren eingesetzt. Bei Einsatz von Additiv-Subtraktivverfahren wird als Ausgangsmaterial für doppelseitig mit Leiterbahnen zu versehende Leiterplatten eine dünn kaschierte Leiterplatte als Ausgangsmaterial gewählt. Nach dem Bohren der Löcher, die zum Teil der Aufnahme von Bauelementen, zum anderen der Durchkontaktierung dienen sollen, müssen mehrere Bearbeitungsstufen vorgesehen werden. Einige dieser Verarbeitungsstufen sind Reinigen, Spülen, Anätzen, chemisches Verkupfern oder elektrolytisches Verkupfern. Einige dieser Behandlungsvorgänge werden in verschiedenen Stufen des Aufbaus von Leiterbahnen und Durchkontaktierungen an der gelochten Leiterplatte eingesetzt; insgesamt können bis zur Fertigstellung der Leiterplatte mehr als 20 einzelne Behandlungsvorgänge notwendig sein, wozu die Leiterplatten entsprechend oft von einem Bad in ein anderes gebracht werden müssen. Die Summe der Behandlungszeiten kann dabei deutlich über zwei Stunden ansteigen.