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Beschreibung
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Verfahren zur selektiven Metallisierung Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur selektiven Metallisierung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung
elektrischer Leiterbahnen auf elektrisch isolierenden Substraten, den sogenannten
Leiterplatten oder gedruckten Schaltungen, die in der Elektroindustrie verwendet.
werde@ Die llerstellullg von Leiterplatten für die Elektronik erfolgt derzeit noch
zum überwiegenden Teil nach der sogenannten Subtraktivtechnik. Dabei wird von ganzflächig
kupferkaschierten Kunststoff-Basismaterialien ausgegangen, auf denen elektrische
Leiterbahnen durch Wegätzen des
überflüssigen Kupfers entstehen,
das bis zu 80 % des Gesamtkupfers beträgt. Eine störende Unterätzung der Leiterbahnen
ist teilweise vermeidbar durch eine Kompensation im Leiterbild oder durch Plalkenschutz.
Zur Maskierung beim Ätzvorgang sind organische Fotoresistschichten und zum Teil
zusätzliche Metallresistaufl'ågen notwendig.
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Seit einigen Jahren erfolgt die Einführung der sogenannten Semiadditivtechnik,
die mit zwei Dritteln der Verfahrensschritte der Subtraktivtechnik auskommt, weniger
Kupferabfälle produziert, dafür aber noch unwirtschaftliche Maskier- und Ätzprozesse
benötigt.
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Diese Nachteile entfallen bei einer sogenannten Volladditivtechnik,
insbesondere bei einer lackfreien Fotoadditivvariante gänzlich. Diese benötigt lediglich
ungefähr die Hälfte der Verfahrensschritte der Subtraktivtechnik.
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Vereinfacht läßt sich die Fotoadditivtechnik in ein Verfahrensschema
aufgliedern, welches das Basismaterial und dessen Vorbehandlung, die Bildübertragung
einschließlich einer selektiven Aktivierung sowie die abschließende Metallisierung
umfaßt. Die Schaltungsträgermaterialien werden im wesentlichen aus verschiedenen
Hartpapieren, Kunststoffen und Gläsern hergestellt. Aufgrund der langen Verweilzeiten
in den Metallisierungsbädern muß beispielsweise eine höhere Wasser-, Alkali- und
Lösungsmittelbeständigkeit gewährleistet sein als dies bei anderen Ver-Iahreis Lechniken
erforderiich ist. I-Ierstelluiigsschwierigkeiten entstehen bei einem Basismaterial
aus Keramik, Glas oder ähnlichen transparenten Stoffen durch die teilweise oder
völlige Lichtdurchlässigkeit dieser Materialien. Denn diese verhindert in störender
Weise eine scharfe Abbildung oder verursacht störende Rückseitenbelichtungen. Weitere
Schwierigkeiten
entstehen durch die Keim- und Metallhaftung auf dem Basismaterial. Denn um glatte
und hydrophobe Oberflächen aufzurauhen und hydrophil zu machen, so daß sie von Aktivator-
und Metallisierungslösungen benetzt werden können und eine ausreichende Haftgrundlage
bilden, muß das Basismaterial gebeizt werden. prinzipiell kann dann die Metallhaftung
als Summe mehrerer Einflußgrößen beschrieben werden. Ziel einer Vorbehandlung des
Basismaterials ist es, die einzelnen Anteile der Einflußgrößen zu erhöhen, ohne
daß eine störende Überbeizung stattfindet.
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Sehr wichtig für eine gleichmäßige Schichtausbildung und Haftung ist
die Ortsunabhängigkeit dieser Einflußgrößen auf der Basismaterialoberfläche. Dazu
ist eine größtmögliche Homogenität der Basismaterialoberfläche, insbesondere hinsichtlich
chemischer Zusammensetzung, Oberflächenausbildung und Oberflächenzustand gleichermaßen
von Bedeutung. Auch das Vorhandensein von mechanisch spannungsreichen und spannungsarmen
Oberflächenzonen nebeneinander muß unbedingt vermieden werden.
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Ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von beispielsweise Leiterplatten
ist die Übertragung des Leiterbahnmusters von einer Vorlage auf das Leiterplatten-Basismaterial.
In der Fotoadditivtechnik wird dazu auf die Leiterplattenoberfläche ein sensibilisierter
Aktivator aufgebracht, der durch selektives Belichten an den vom Licht getroffenen
Stellen aktiviert oder desaktiviert wird. Auf den aktivierten Abschnitten werden
in einer Edelmetallsalzlösung Edelmetallkeime abgeschieden, die dann in einem außenstromlos
arbeitenden Metallisierungsbad metallisiert werden.
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In der DE-AS 19 17 474 ist u.a. ein Sensitizer mit einem Zinn(II>-salz
beschrieben. Dieses Zinn(II)-S'hlz wird von UV-Licht in Zinn(IV) überführt, das
dann nicht mehr imstande ist, z.B. Palladiumchlorid in wäßriger Lösung zu Palladiumkeimen
zu reduzieren. Nachteil dieser Zinn(II)-haltigen Sensitizer ist ihre Oxidationsempfindlichkeit
gegenüber Luftsauerstoff. So werden Lösungen von Zinn(II)-salzen an Luft zu Zinn(IV)-salzen
oxidiert, die in wäßrigen Lösungen hydrolisieren und mehrkernige Zinnoxidhydrate
ergeben, die sich als gallertartiger farbloser Niederschlag am Gefäßboden absetzen.
Der Zinn(II)-Gehalt einer solchen Lösung nimmt also laufend ab. Ohne ein Angleichen
der Belichtungszeiten oder ein Konstanthalten der Zinn<II)-Konzentration würden
sich Unterstrahlungen und Reflexionen zwischen Belichtungsmaske und Basismaterial
störender auswirken, insbesondere beim Aufbau von elektrischen Kein- und Feinstleitern.
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In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 33 37
790 wird ein an Luft stabiler Sensitizer beschrieben, mit dem die oben erwähnten
Schwierigkeiten umgangen werden. Dieser Sensitizer ermöglicht Belichtungen mit Laserlicht
im Wellenlängenbereich zwischen 250 und 260 nm.
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Nach der Belichtung entstehen in der Sensibilisierungsschicht Metallkeime,
z.B. Pd-Keime, mit einer glockenförmigen Dichteverteilung am Ort des herzustelienden
metailischen Leiters, entsprechend der ausgezogenen Kurve in der Figur. Erwünscht
ist dagegen eine rechteckförmige Dichteverteilung entsprechend der gestrichelt dargestellten
Kurve, um eine genau vorherbestimmbare Leiterbreite zu erhalten und um eine möglichst
hohe Leiterbahndichte (Leiterbahnen/mm) zu ermöglichen. Aus der tatsächlich vorhandenen
glockenförmigen Dichteverteilung
ist die Herstellung der gewüllschten
Leiterbreite möglich, sofern ein Metallisierungsbad benutzt wird, daß eine bestimmte
Mindestkeimdichte erfordert Da die chemischen Metallisierungsbäder, die zur Dickverkupferung
herangezogen werden können, fast ausschließlich bei höheren Temperaturen als Raumtemperatur
(25°C) betrieben werden, sprechen sie bereits bei sehr geringen Keimdichüeii all
und verursachen somit ü Wildwuchs, d.h. eine Metallabscheidung an unerwünschten
Stellen.
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Um dies zu umgehen, erfolgt nach dem Belichtungsvorgang eine Vormetallisierung
mit Metallisierungsbädern, die bei Raumtemperatur äußerst selektiv arbeiten. Aber
selbst ist bei der Dickverkupferung ein störender Wildwuchs möglich. Insbesondere
bei kleberbeschichteten Basismaterialien wird der Kleber durch die im allgemeinen
5000 heißen und stark alkalischen Dickverkupferungsbäder zerstört, so daß die Haftung
der abgeschiedenen Schicht in unzulässiger Weise verringert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren
anzugeben, das insbesondere eine zuverlässige und kostengünstige Herstellung von
Leiterplatten ermöglicht mit Leiterbahnen, die eine hohe Haftfestigkeit besitzen,
so daß bei möglichen nachfolgenden Lötvorgängen eine Ablösung der Leiterbahnell
vermieden wird, und die geometrisch genau bestimmbar sind, so daß eine kleine Leiterbahnbreite
und/oder eine hohe Leiterbahndichte möglich wird ohne daß in den an sich isolierenden
Zwischenräumen unerwünschte elektrische Kurzschlüsse durch Wildwuchs auftreten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den
Unterausprüchen entnehmbar Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das
erforderliche Vormetallisierungsbad bei Raumtemperatur (2500) zufriedenstellend
arbeitet, so daß eine Zerstörung der Kleberschicht des Basismaterials vermieden
wird.
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Ein zweiter Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf einem derzeit
üblichen Basismaterial, das aus Glasfaser verstärkten Epoxidharzplatten besteht,
eine Leiterbahnbreite kleiller als 50 µm erreichbar ist bei eineiu isolierenden
Zwischenraum kleiner als 50 pm sowie einer Haftfestigkeit größer als lN/mm.
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Ein dritter Vorteil besteht darin, daß zur Mustererzeugung auf der
Sensibilisierungsschicht eine Verwendung von UV-Licht mit einem Wellenlängenbereich
von 250 um bis 260 pm möglich ist. Das UV-Licht ermöglicht eine hohe Konturenschärfe
sowie eine hohe Auflösung bei der Mustererzeugung.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutett.
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Bei einem Basismaterial mit homogener Oberfläche, die im wesentlichen
gleichmäßig vorbehandelt wurde, wird die Bildübertragung z.B. mit Hilfe eines UV-Lasers
und einer UV-lichtempfindlichen Aktivatorschicht durchgeführt. Die selektiv aktivierten
Bereiche der Basismaterialoberfläche
werden nun in einem bei Raumtemperatur
arbeitenden. alkalischen Vornietallisierungsbad metallisiert. Die abgeschiededen
Metallschichtell sind dabei wesentlich dünner als 1 µm.
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Wichtig sind hierbei so stabilisierte Bäder, daß diese erst auf eine
bestimmte einstellbare Mindestkeimdichte ansprechen. Erfindungsgemäß werden bei
der Konstruktion und Erstellung der Vorlage die zu metallisierenden Leiterstrukturen
mindestens einmal miteinander verbunden. Nach der selektiven chemischen Vormetallisierung
ist nun eine galvanische Dickverkupferung möglich. Die galvanischen Kupferbäder
haben den Vorteil, daß sie bei Raumtemperatur und in sauren pH-Bereichen arbeiten.
Dadurch wird z.B. mit derzeit üblichen Klebern beschichtetes Basismaterial nicht
angegriffen. Der niedrige pH-Wert wiederum bewirkt eine Auflösung voll eventuell
doch bei der Vormetallisierung entstandenen' Wildwuchs zwischen den Leitern und
trägt so zur Qualitätssicherung bei. Wichtig ist hierbei allerdings, daß die vormetallisierten
Substrate unter Anwendung einer elektrischen Spannung ins Dickverkupferungsbad eingebracht
werden, da sonst auch eine unerwünschte Auflösung der Leiterstrukturen erfolgt.
Außerdem darf die Anfangsstromstärke nicht zu hoch gewählt werden, da sonst eine
unerwünschte Verbreiterung der zu metallisierenden Strukturen stattfindet. Ohne
eine Lackabdeckung wird nun zweckmäßigerweise ein Oberflächenschutz galvanisch aufgebracht.
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Die Hilfsstrukturen, die nicht zum galvanischen Leiterbild gehören,
werden nun abgetrennt oder ganz entfernt. Dies erfolgt z.B, durch eine abgeänderte
Laseranlage, die derzeit vielfach zum Anritzen oder Schneiden von Metallen benutzt
wird. Ihre Leistung und Größe kann dabei wesent-
lich geringer
sein als dies bei den genannten Anlagen der Fall ist. Zu berücksichtigen ist jedoch
der Reflexionskoeffizient, der z.B. bei Kupfer bei einer Wellenlänge um 500 nm ungefähr
50 % und bei einer Wellenlänge von 5000 nm im wesentlichen 100 % entspricht. Durch
eine geeignete Beschichtung ist eine Verminderung möglich. Nach dem Abtrennen bzw.
Entfernen der Hilfsstrukturen wird die Leiterplatte nach derzeit üblichen Verfahren
weiterbearbeitet.
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Alternativ dazu ist es möglich, die Hilfsstrukturen mechanisch zu
entfernen, z.B. durch Kratzen, Fräsen oder Sandstrahlen. Weiterhin ist dies auch
elektrisch möglich, z.B.
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durch Durchbrennen der Hilfsstruktur durch einen Stromstoß, der über
Hilfselektroden, z.B. aufgesetzte Stempel, durch die Hilfsstruktur fließt.
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Ein derartiges Durchtrennen und/oder Beseitigen der Hilfss truk t:ureii
ist kostengünstig durchführbar mit Hilfe einer Datenverarbeitungsanlage, welche
eine entsprechende Steuerung des beispielhaft erwähnten Lasers bewirkt und/oder
eine Steuerung eines Kreuztisches, auf welchem die Leiterplatte aufgespannt wird.
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Beispiel 1: LeiterplaLtesl-Basisnlaterial, z.B. eine glasfaserverstärkte
Epoxidharzplatte, wird gereinigt und gebeizt. Durch Aufbringen eines Sensibilisators,
der auf das Basismaterial abgestimmt ist, erfolgt eine Sensibilierung für UV-Licht.
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Der Sensibilisator besteht z.B. aus 1 bis 10 g Natriumoxalat und 1
bis 18 g Chrom(III)-chlorid in 500 ml Lösungs-
mittel, zu dem 300
ml einer Lösung von 0,1 bis 2 g/l Palladium(II)-chlorid, 1 - 100 ml/l 37 %igeSalzsäure
und 100 bis 800 Ing/l Netzmittel gegeben werden.
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Danach wird das Substrat getrocknet. Mit Hilfe eines durch eine Datenverarbeitungsanlage
gesteuerten UV-Lasers wird das Substrat belichtet. Die abgebildeten Leiterstrukturen
und Hilfsstrukturen werden in einer wäßrigen Palladiumsalzlösung behandelt, die
pro Leiter 0,1 bis 0,9 g Palladium(II)-chlorid, 1 bis 100 ml 37 ziege Salzsäure
und 10 bis 200 mg eines Netzmittels enthält.
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Eine Vormetallisierung erfolgt z.B. in einem Nickel-Phosphor-Legierungsbad
mit folgender Zusammensetzung: 15 g/1 NisO4 - 6 H2O 15 g/l Borax 17 gil Citronensäure
30 g/l Natriumhypophosphit mit demineralisiertem Wasser auf 1 1 aufgefüllt und mit
NaOH auf pH 9 eingestellt.
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Nach dem Stromanschluß der Leiterbahnen sowie der Hilfsstrukturen
wird nun in einem derzeit handelsüblichen galvanischen Kupferbad dickverkupfert.
Hierbei ist darauf zu achten, daß von niedrigen Stromdichten, die vom Leitermuster
abhängen, ausgegangen wird, da sonst eine störende Verbreiterung der I.,c-itel eintritt.
Allerdings darf die Stromdichte nicht so gering sein, daß ein Ablösen der Vormetallisierung
im Kupferbad stattfindet.
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Die Hilfsstrukturen werden nun mit Hilfe eines Lasers, wie er z.B.
zum Abgleichen von Widerständen oder Trennen und Ritzen von Metallen benutzt wird,
von den Leiterstrukturen abgetrennt.
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Beispiel 2: Wie Beispiel 1, nur daß als Vormetallierung eine Kupfer-Nickel-Phosphorlegieruiig
gewählt wird, die aus Tolgendem Bad abgeschieden wird: 9,4 g/l NiSO4. 6 H20 0,15
g/1 CuSO4. 5 H2O 17 g/1 Citronensäure 0,5 g/1 TitriplexIII 15 g/l Borax 13 g/l Natriumhypophosphit
mit deminarilisiertem Wasser auf 1 @ aufgefüllt and mit NaOH auf pH 9 eingestellt.
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Beispiel 3: Wie Beispiel 1, nur daß zur Bildübertragung eine Quecksilberdampfhochdrucklampe
verwendet und das Substrat durch eine Maske belichtet wird.
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Beispiel 4: Wie Beispiel 1, nur daß die Hilfsstrukturen mechanisch
abgetrennt oder entfernt werden.
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Beispiel 5: Wie Beispiel 1, nur daß zur Sensibilisierung eine wäßrige
Lösung aus
12,5 g/l Eisen.(III)-chlorid 9,3 g/l Natriumoxalat 0,2
g/l Palladium(II)-chlorid 30 ml/l 37 %ige Salzsäure verwendet wird.