DE69833495T2

DE69833495T2 - Herstellungsvefahren für eine mehrschichtige leiterplatte

Info

Publication number: DE69833495T2
Application number: DE69833495T
Authority: DE
Inventors: Leif Bergstedt
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1998-09-15
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: US6717063B2; AU9194498A; EP1025749B1; US20010016980A1; US6249962B1; EP1025749A1; SE9703344D0; WO1999014994A1; DE69833495D1; SE510487C2; SE9703344L

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer vielschichtigen Leiterplatte sowie eine vielschichtige Leiterplatte, die gemäß diesem Verfahren hergestellt wird.
FRÜHERER STAND DER TECHNIK
Eine herkömmliche Technik zum Erzielen von Leiterplatten mit kleinen Zwischenräumen zwischen den Bauteilen, die auf die Oberfläche der Leiterplatte montiert werden, mit anderen Worten Leiterplatten, die eine so genannte hohe Bestückungsdichte haben, besteht darin, die Leiterplatte als eine vielschichtige Platte herzustellen. Eine vielschichtige Leiterplatte umfasst eine Vielzahl von tragenden Schichten nicht leitenden Werkstoffs, auf welchen ein leitendes Muster angeordnet ist. Die leitenden Muster auf den verschiedenen tragenden Schichten sind miteinander in gewünschter Art durch das Anlegen von Bohrungen verbunden, so genannte „durchgehende Bohrungen", zwischen den verschiedenen tragenden Schichten an Stellen, an welchen eine Verbindung erforderlich ist. Die durchgehenden Bohrungen werden elektrisch leitend gemacht, indem sie ganz oder teilweise mit elektrisch leitendem Werkstoff gefüllt werden.
Eine bekannte Technik zum Verbinden der verschiedenen tragenden Schichten in einer vielschichtigen Leiterplatte ist das so genannte „Schmelzkleben". Das bedeutet, dass die leitenden Muster auf den verschiedenen tragenden Schichten angeordnet werden, und dass die verschiedenen Schichten übereinander in gewünschter Art angeordnet werden, wonach die Struktur, die so gebildet wird, einer Temperatur ausgesetzt wird, die höher ist als der Schmelzpunkt des Werkstoffs in der tragenden Struktur. Ein Problem, das sich bei diesem Verfahren ergibt, besteht darin, dass sich die Formen der leitenden Muster, wenn die tragenden Schichten ihren Schmelzpunkt erreichen oder überschreiten, aufgrund von Bewegungen in den tragenden Schichten ändern können. Wenn die tragende Schicht dann steif wird, ist es möglich, dass die leitenden Muster daher nicht genau die gleiche Form haben wie zuvor.
Aufgrund des oben beschriebenen Problems müssen die leitenden Muster oft breiter als erforderlich gemacht werden, um sicherzustellen, dass die gewünschte Zone mit leitenden Mustern bedeckt ist. Das fügt zu der Schwierigkeit des Herstellens von Leiterplatten mit kleinen leitenden Mustern und kleinen Abständen zwischen den leitenden Mustern noch hinzu.
Eine alternative früher bekannte Technik beim Schmelzkleben besteht darin, zwischen die tragenden Schichten Werkstoffe zu geben, die einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als die tragenden Schichten. Beim Erhitzen wird die Struktur daher zusammengefügt, ohne dass die Struktur der leitenden Muster von maßlichen Änderungen in den tragenden Schichten beeinträchtigt wird. Diese Technik führt jedoch zu höheren Herstellungskosten und dazu, dass die Höhe der Struktur größer wird als erwünscht.
Das japanische Patent JP 63 047127 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Leiterplatten, das auf einer Anzahl im Grunde identischer strukturierter Laminate besteht, die aufeinander zusammengefügt werden. Jedes Laminat-umfasst einen Kern, der auf seiner oberen und unteren Seite von einem äußeren Material mit niedrigerem Schmelzpunkt als der Kern umgeben ist. Das Laminat wird auf eine Temperatur erhitzt, die den Schmelzpunkt des äußeren Werkstoffs überschreitet, aber niedriger ist als der Schmelzpunkt des Kerns. Die verschiedenen Schichten des Laminats werden dadurch miteinander befestigt.
Ein Nachteil bei dieser Methode scheint darin zu liegen, dass jede tragende Schicht von zwei weiteren Schichten umgeben sein muss, deren einzige echte Funktion die von Klebeschichten ist.
Das japanische Patent JP 01 025597 zeigt ein Verfahren, bei dem die tragenden Schichten von verschiedenen Typen von Paste mit verschiedenen Schmelzpunkten umgeben sind. Dieses Verfahren scheint zu höheren Materialkosten und vielfachen Etappen in der Herstellung von Leiterplatten zu führen.
Das Dokument WO 96/08945 zeigt ein Verfahren, das für das Verfahren typisch ist, das mehrere Schichten verwendet, deren einzige Funktion die von Klebeschichten ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das Problem, das durch die vorliegende Erfindung gelöst wird, ist das Verwirklichen eines Verfahrens zum Herstellen vielschichtiger Leiterplatten, das kostengünstig und einfach im Gebrauch ist und es erlaubt, die verschiedenen tragenden Schichten in der Leiterplatte an Ort und Stelle ohne Klebeschichten oder andere Zwischenschichten zu befestigen.
Die Erfindung löst dieses Problem anhand eines Verfahrens zum Herstellen einer vielschichtigen Leiterplatte, das eine Vielzahl von tragenden Schichten für leitende Muster umfasst, bei dem die tragenden Schichten alle aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Als Werkstoff für eine erste tragende Schicht für leitende Muster wird der Werkstoff ausgewählt, der den, höchsten Schmelzpunkt der verschiedenen Werkstoffe für tragende Schichten für leitende Muster hat. Auf dieser ersten tragenden Schicht ist ein erstes leitendes Muster gewünschter Form angeordnet.
Ausgehend von der ersten tragenden Schicht werden nacheinander neue tragende Schichten angeordnet, bei welchen als Material für jede neue tragende Schicht ein Werkstoff mit niedrigerem Schmelzpunkt als dem der tragenden Schicht ausgewählt wird, die in die Richtung der ersten tragenden Schicht am nächsten liegt. Jede neue tragende Schicht wird an der Struktur durch Exponieren der Struktur mit einer Temperatur befestigt, die den Schmelzpunkt der neuen tragenden Schicht überschreitet, aber niedriger ist als der Schmelzpunkt der tragenden Schicht, die in die Richtung der ersten tragenden Schicht am nächsten liegt. Derart werden die in der Struktur gegenwärtigen leitenden Muster nicht von Bewegungen in ihren jeweiligen tragenden Schichten beeinträchtigt.
Sobald die Struktur nach jedem Erhitzen wieder eine Temperatur angenommen hat, die es erlaubt, die neueste oberste tragende Schicht herzustellen, wird auf mindestens einer der neuen obersten tragenden Schichten ein leitendes Muster mit gewünschter Form angelegt.
Elektrisch leitende Muster in mindestens zwei tragenden Schichten werden miteinander verbunden. Diese Verbindungen bestehen vorzugsweise aus durchgehenden Bohrungen.
Das Verfahren wird wiederholt, bis die gewünschte Anzahl von Schichten in der Struktur gegenwärtig ist. Auf der obersten Schicht können leitende Muster und/oder elektronische Bauteile angeordnet werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird unten genauer mit Hilfe eines Beispiels einer Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen
1a-1g diagrammartig im Querschnitt die Herstellung einer erfindungsgemäßen Leiterplatte zeigen.
2 ein Flussschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
1a veranschaulicht in diagrammartigem Querschnitt eine tragende Schicht 10, die ein leitendes Muster 20 trägt. Die tragende Schicht 10 bildet eine erste Schicht in einer Struktur 100 für eine Leiterplatte. Die Struktur 100 umfasst eine Vielzahl tragender Schichten für leitende Muster, wobei die tragenden Schichten alle aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Ein geeigneter Werkstoff für die erste Schicht 10 ist ein PTFE-Werkstoff (Polytetrafluorethylen) mit einem relativ großen Glasgehalt, wobei sich gute maßliche Stabilität ergibt, zum Beispiel TACONIC TLC 32^®.
In 1b wird die Struktur 100 der 1a durch eine zweite tragende Schicht 30 vergrößert. Als Werkstoff für die zweite tragende Schicht 30 wird ein Werkstoff ausgewählt, der einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als die erste tragende Schicht 10.
Die zweite tragende Schicht 30 wird an der Struktur 100 durch Exponieren der Struktur 100 inklusive der zweiten tragenden Schicht 30 mit einer Temperatur befestigt, die den Schmelzpunkt für die zweite tragende Schicht 30 überschreitet, aber niedriger ist als der Schmelzpunkt für die erste tragende Schicht 10. Derart wird das leitende Muster 20, das in der Struktur 100 vorhanden ist, nicht durch Bewegungen in der tragenden Schicht 10, die das leitende Muster 20 trägt, beeinträchtigt.
Sobald die zweite tragende Schicht 30 derart an der Struktur 100 befestigt wurde und danach eine Temperatur angenommen hat, die niedriger ist als ihr Schmelzpunkt, wird ein zweites leitendes Muster 50 mit gewünschter Form auf der Oberseite der zweiten tragenden Schicht 30 angeordnet, so dass sie die in 1c gezeigte Struktur 100 ergibt.
Die leitenden Muster 20, 50, die nun auf den tragenden Schichten 10, 30 in der Struktur 100 gegenwärtig sind, werden an gewünschten Punkten mittels durchgehender Bohrungen 40 verbunden. Die durchgehenden Bohrungen 40 werden vorzugsweise durch Bohrungen angelegt, die in dem Teil der Struktur hergestellt werden, der die leitenden Muster trennt, wobei die Bohrungen ganz oder teilweise mit elektrisch leitendem Material gefüllt werden.
Das Konzept der Erfindung sollte nun klar sein, der Vollständigkeit halber wird aber auch das Anlegen zweier weiterer Schichten beschrieben.
In 1d wurde die Struktur durch eine dritte tragende Schicht 60 vergrößert. Als Werkstoff für die dritte tragende Schicht 60 wird ein Werkstoff mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als der der zweiten tragenden Schicht 30 ausgewählt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein geeigneter Werkstoff für die dritte tragende Schicht 60 PFA, Perfluoralkoxyl.
Die dritte tragende Schicht 60 wurde an der Struktur 100 in einer Art befestigt, die analog zu der zweiten tragenden Schicht 30 ist, mit anderen Worten durch Exponieren der Struktur inklusive der dritten tragenden Schicht 60 mit einer Temperatur, die den Schmelzpunkt der dritten tragenden Schicht 60 überschreitet, die aber niedriger ist als der Schmelzpunkt der zweiten tragenden Schicht 30.
In 1e wurde ein drittes leitendes Muster 70 gewünschter Form auf der dritten tragenden Schicht 60 angeordnet. Wie oben beschrieben, wurde dieses dritte leitende Muster 70 angelegt, als die dritte tragende Schicht 60 nach dem Erhitzen der Struktur 100 eine Temperatur angenommen hatte, die niedriger ist als ihr Schmelzpunkt. Das dritte leitende Muster 70 ist an gewünschten Stellen mit dem zweiten leitenden Muster 50 mittels durchgehender Bohrungen 80 verbunden.
In 1f ist über dem dritten leitenden Muster 70 eine vierte tragende Schicht 90 gezeigt, die an der Struktureinheit in einer Art befestigt wurde, die analog zu dem ist, was oben für andere Schichten 10, 30, 60 in der Struktur 100 beschrieben wurde. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein geeigneter Werkstoff für diese vierte tragende Schicht 90 FEP, fluoriertes Ethylenpolypropylen.
Die vierte tragende Schicht 90 ist dazu bestimmt, die oberste Schicht der Struktur 100 zu sein, weshalb nicht nur leitende Muster 120 gewünschter Form, sondern auch Bauteile, geeigneterweise elektronische Bauteile, auf dieser vierten Schicht 90 in 1g angeordnet wurden. Leitende Muster 120 gewünschter Form wurden angelegt, und Bauteile 130 wurden auf der vierten tragenden Schicht 90 aufgebracht, sobald die vierte tragende Schicht 90 nach dem Erhitzen der Struktur 100 eine Temperatur angenommen hatte, die niedriger ist als ihr Schmelzpunkt.
Mittels durchgehender Bohrungen 110 und der leitenden Muster 120 auf der vierten tragenden Schicht sind die Bauteile mit anderen leitenden Mustern in der gewünschten Art verbunden.
Die Unterschiede zwischen den Schmelzpunkten der verschiedenen tragenden Schichten 10, 30, 60, 90 liegen geeigneterweise innerhalb des Bereichs von 1-1000°C, vorzugsweise innerhalb des Bereichs 10-300°C, geeigneterweise innerhalb des Bereichs 20-200°C.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind diese leitenden Muster, die auf den tragenden Schichten angeordnet sind, durch Anordnen einer Schicht leitenden Materials (in den Figuren nicht gezeigt), zum Beispiel Kupfer, angeordnet, das im Wesentlichen die gesamte tragende Schicht bedeckt, auf den leitenden Schichten. Nachdem eine tragende Schicht an der Struktur wie oben angegeben befestigt wurde, wird das gewünschte Muster in der Schicht des leitenden Werkstoffs geschaffen.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die leitenden Muster auf den tragenden Schichten können in einer großen Vielfalt von Arten angelegt werden. Drei verschiedene solcher Verfahren werden unten beschrieben. Diese drei Verfahren sind subtraktiv, halb additiv und additiv.
Ein subtraktives Verfahren bedeutet, dass im Wesentlichen die ganze Oberfläche, auf der man eine elektrisch leitende Schicht wünscht, mit elektrisch leitendem Werkstoff abgedeckt wird. Über den Stellen, an welchen man am Ende des Prozesses elektrisch leitenden Werkstoff haben will, wird so genannter „Fotolack" angeordnet. Die Fläche wird danach geätzt, wodurch die elektrisch leitende Schicht mit Ausnahme der Teile, die durch Fotolack bedeckt sind, entfernt wird. Danach kann der Fotolack zum Beispiel durch Waschen entfernt werden, wodurch die bleibenden Flächen elektrisch leitenden Werkstoffs freigelegt werden. Mit anderen Worten hat die Fläche nun elektrisch leitenden Werkstoff nur an den Stellen, an welchen er erwünscht war.
Ein halb additives Verfahren bedeutet, dass zum Beispiel durch Gebrauch eines chemischen Verfahrens die ganze Oberfläche, auf der man elektrisch leitende Schichten haben will, mit einer extrem dünnen ersten Schicht elektrisch leitenden Werkstoffs bedeckt wird. Danach wird Fotolack an den Stellen auf dieser extrem dünnen Schicht elektrisch leitenden Werkstoffs angebracht, an welchen man am Ende des Verfahrens keine elektrisch leitenden Schichten haben will. Durch galvanische Mittel zum Beispiel, wird danach eine etwas dickere zweite Schicht elektrisch leitenden Werkstoffs, bei der die Fläche nicht mit Fotolack bedeckt wird, aufgetragen. Der Fotolack wird anschließend entfernt, zum Beispiel durch Waschen. Als letzte Etappe wird elektrisch leitender Werkstoff zum Beispiel durch Ätzen bis zu einer Tiefe entfernt, die der Stärke der ersten Schicht des elektrisch leitenden Werkstoffs entspricht. Elektrisch leitender Werkstoff wird daher nur dort belassen, wo die zweite Schicht elektrisch leitenden Werkstoffs aufgebracht wurde.
Ein additives Verfahren bedeutet, dass die Oberfläche, auf der die Gegenwart elektrisch leitenden Werkstoffs gewünscht wird, mit Fotolack an Stellen bedeckt wird, an welchen elektrisch leitender Werkstoff unerwünscht ist. An anderen Lagen auf der Fläche wird elektrisch leitender Werkstoff angeordnet. Der Fotolack wird danach weggewaschen, wonach elektrisch leitender Werkstoff auf der Oberfläche nur an den gewünschten Stellen verbleibt.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene veranschaulichende Ausführungsform beschränkt, sondern kann frei innerhalb des Geltungsbereichs der folgenden Patentansprüche variiert werden.
Als Werkstoff für die tragenden Schichten können beliebige geeignete Werkstoffe mit verschiedenen Schmelzpunkten im Prinzip gemäß dem beschriebenen Konzept ausgewählt werden.
Beispiele für andere Werkstoffe für tragende Schichten sind Polyamid und Polyester.
Die Anzahl tragender Schichten zum Beispiel kann auch frei variiert werden und ist offensichtlich nicht auf die oben gezeigte Anzahl beschränkt.
Ferner kann die Struktur nicht nur auf einer Seite der ersten tragenden Schicht erweitert werden; unter Gebrauch des erfindungsgemäßen Verfahrens können neue tragende Schichten zu beiden Seiten der ersten tragenden Schicht angeordnet werden.
Zwischen den tragenden Schichten, die leitende Muster tragen, kann man andere Werkstoffe mit einer anderen Funktion als das Tragen leitender Muster anordnen. Diese Schichten können in diesem Fall Schmelzpunkte haben, die von den oben erfindungsgemäß definierten Konzepten abweichen.
Wenn eine neue Schicht an der Struktur durch Erhitzen befestigt wird, muss die neue Schicht an der Struktur während mindestens eines Teils des Erhitzens befestigt werden. Das kann in einer Vielzahl von Arten erfolgen und ist für die Erfindung nicht ausschlaggebend, weshalb es hier nicht beschrieben wurde.
Es kann auch in Betracht gezogen werden, leitende Muster auf mehr als einer Seite der tragenden Schichten anzuordnen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Struktur (100) für eine Leiterplatte, umfassend eine Vielzahl tragender Schichten (10, 30, 60, 90), die alle aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, wobei die tragenden Schichten (10, 30, 60, 90) elektrisch leitende Muster (20, 50, 70, 120) tragen, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Etappen umfasst – als Werkstoff für die erste tragende Schicht (10) wird der Werkstoff mit dem höchsten Schmelzpunkt der verschiedenen Werkstoffe für tragende Schichten ausgewählt, – ausgehend von der ersten tragenden Schicht (10) werden nacheinander neue tragende Schichten (30, 60, 90) angeordnet, – als Werkstoff für jede neue tragende Schicht (30, 60, 90) wird ein Werkstoff mit einem niedrigerem Schmelzpunkt als die tragende Schicht ausgewählt, die in die Richtung der ersten tragenden Schicht (10) am nächsten liegt, – jede neue tragende Schicht (30, 60, 90) wird mit der Struktur (100) verbunden, indem die Struktur (100) einer Temperatur ausgesetzt wird, die den Schmelzpunkt der neuen tragenden Schicht (30, 60, 90) überschreitet, jedoch niedriger ist als der Schmelzpunkt der tragenden Schicht, die in die Richtung der ersten tragenden Schicht (10) am nächsten liegt, – auf mindestens einer Seite jeder tragenden Schicht (30, 60, 90) ist ein gewünschtes elektrisch leitendes Muster (50, 70, 120) angeordnet, – die elektrisch leitenden Muster (20, 50, 70, 120) auf mindestens zwei tragenden Schichten (10, 30, 60, 90) sind miteinander (40, 80, 110) verbunden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite der neuen tragenden Schichten (30, 60, 90), auf welcher ein gewünschtes elektrisch leitendes Muster (50, 70, 120) angeordnet ist, die Seite ist, die von der tragenden Schicht mit dem höheren Schmelzpunkt wegzeigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturunterschied zwischen den Schmelzpunkten zweier benachbarter tragender Schichten innerhalb des Bereichs von 1-1.000°C liegt, vorzugsweise innerhalb des Bereichs 10-300°C, geeigneterweise innerhalb des Bereichs 20-200°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Muster (20, 50, 70, 120) in mindestens zwei tragenden Schichten (10, 30, 60, 90) miteinander durch das Anlegen von Bohrungen (40, 80, 110) in dem Teil der Struktur (100), der die Muster (20, 50, 70, 120) trennt, verbunden sind, wobei die Bohrungen (40, 80, 110) ganz oder teilweise mit elektrisch leitenden Werkstoff gefüllt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der gewünschten elektrisch leitenden Muster (20, 50, 70, 120) mit einem subtraktiven Verfahren angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der gewünschten elektrisch leitenden Muster (20, 50, 70, 120) mit einem halb additiven Verfahren hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der gewünschten elektrisch leitenden Muster (20, 50, 70, 120) mit einem additiven Verfahren angelegt wird.