Projekt 13871/01

Kombination von Dünnschichttechnik mit der Lasertechnik – eine ätzfreie und damit umweltfreundliche Lösung zur Herstellung von Feinstleiterstrukturen für die Mikroverbindungstechnik

Projektträger

LPKF Laser & Electronics AG
Osterriede 7
30827 Garbsen
Telefon: 05131/7095-177

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die derzeitige Herstellung von Feinstleiterstrukturen geht über Ätzprozesse (Subtraktivtechnik). Hierbei wird von ganzflächig mit Metallen (Cu) belegten Substratmaterialien ausgegangen, die über fotolithografische Prozesse strukturiert und nach dem Stripp-Prozess geätzt werden. Das zu entwickelnde Verfahren umgeht diese Prozessschritte durch das umweltfreundliche Verfahren der Laserstrukturierung und benötigt die Prozessschritte der Fotolithographie und des Ätzens zur Strukturherstellung nicht mehr. Es ist Ziel des Projektes, eine Technologie zur Herstellung von Feinstleiterstrukturen und Anwendung der Dünnfilmtechnik in Kombination mit der Laserablation zu entwickeln.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas zu entwickelnde Verfahren geht von flexiblen Folienmaterialien aus, die durch physikalische Beschichtung (Bedampfung, VALICO-Verfahren) mit laserstrukturierbaren Schichten versehen werden. Hier ist besonders der Aspekt der Haftung solcher Schichten zu untersuchen und geeignete Haftvermittlerschichten sind auszuwählen. Anschließend wird mit Hilfe eines Lasers (Excimerlaser) im Bereich < 20µm strukturiert. Hier werden Untersuchungen bezüglich Optimierung Laserenergie, Abtragsverhalten, Kantensteilheiten und Effektivität erforderlich. Die so strukturierten Folien müssen zur Erzielung von funktionellen Eigenschaften, wie elektrische Leitfähigkeit, Bondbarkeit, Lötbarkeit usw. mit weiteren Schichten (Cu, Ni, Au) versehen werden. Hier gilt es, neue Verfahren der Metallisierung im Hinblick auf Aktivierung und Selektivität zu entwickeln.


Ergebnisse und Diskussion

Ausgehend von den Zielsetzungen des Projektes, der Entwicklung umweltfreundlicher Technologien zur Herstellung von Feinstleiterstrukturen unter Anwendung der Dünnfilmtechnik in Kombination mit der Laserablation und additiven Prozessen zum Schichtaufbau, wurden in Kooperation zwischen ROWO Coating Herbolzheim, LPKF Laser & Electronics AG Garbsen und dem Fraunhofer Institut IZM Berlin folgende Ergebnisse erzielt:
- Aufbau und Inbetriebnahme einer Laboranlage zur Ressourcen schonenden Herstellung metallisierter Kunststofffolien.
- Erarbeitung eines Prozessfensters zur Beschichtung von Kleinformaten.
- Auswahl geeigneter Strahlquellen für die Laserstrukturierung.
- Optimierung der Parameter zur abproduktfreien Feinstleiterstrukturierung mittels Lasertechnologie.
- Aufbau eines stromlosen Kupferbades zum abfallarmen additiven Schichtaufbau im Technikummaßstab, versehen mit den Optionen für eine gesicherte Reproduzierbarkeit der Schichtqualität.
- Aufbau eines galvanischen Kupferbades zur Verstärkung von Metallschichten zur Durchführung der Messung von Haftkräften nach IPC-Richtlinien.
- Arbeiten zur Reinigung und Aktivierung dünner Metallschichten als Voraussetzung für die Folgeschichten.
- Erarbeitung von Vorschlägen zum Aufbau von Folgeschichten als Ausgangsgröße für die Anforderungen der Aufbau- und Verbindungstechnik.
- Durchführung von Klima- und Zuverlässigkeitsprüfungen durch TechnoLab Berlin.
Ausgehend von diesen umfangreichen Ergebnissen, die durch alle Projektpartner erarbeitet worden sind, sollten die noch nicht vollständig abgeschlossenen Entwicklungsarbeiten nicht übersehen werden. Sowohl durch die auf Vorschlag der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gesplittete Zielstellung, die vom Aufbau einer Pilotrollcoater-Anlage auf eine Einzelblattvariante orientierte, als auch die während der Projektbearbeitung sich darstellenden neuen Schwerpunktaufgaben, sollten die offen gebliebenen Arbeitsaufgaben die Basis für Zielstellungen hinsichtlich weiterführender und umweltfreundlicher Technologien zur Feinstleiterstrukturierung sein.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Publikation der Ergebnisse auf verschiedenen internationalen Tagungen.
- Patentanmeldung unter der Überschrift Verfahren zur strukturierten Metallisierung der Oberfläche von Substraten unter DOS DE 199 51 721 A, AT: 27.10.1999; OT: 15.06.2000.
Ausnutzung der Präsenz auf internationalen Messen und Ausstellungen, um Kunden und Interessenten über die Verfahrenstechnologie der Feinstleiterstrukturierung mittels Laserablation zu informieren und Lösungsmöglichkeiten durch die Bereitstellung konkreter Prototypen aufzuzeigen.


Fazit

Auf der Grundlage bekannter Basistechnologien wurden die technologischen Voraussetzungen geschaffen, um durch Kombination von Dünnschichttechnik mit der Lasertechnik eine ätzfreie und damit umweltfreundliche Lösung zur Herstellung von Feinstleiterstrukturen für die Mikroverbindungstechnik bereitzustellen und die Eigenschaften daraus resultierender Produkte zu charakterisieren. Die Ergebnisse stellen sich so positiv dar, dass eine Weiterentwicklung zu einer anwendbaren Produktionstechnik erfolgen soll.
Unter Zugrundelegung der Ergebnisse der Projektarbeit sind die Projektpartner in der Lage, Anwendungen für die Mikroverbindungstechnik (Flexschaltungen) herzustellen, die durch folgende Parameter charakterisiert werden
- Metallisierung von unterschiedlichen Kunststofffolien wie Polyimid; Polyester; Kaladex mit Schichtsystemen auf der Basis Kupfer/Chrom und Gold/Chrom.
- Die Verwendung von metallisierter Kunststofffolie, die mit einem Schichtsystem auf Basis Kupfer/Chrom von der Firma GOULD vorliegt, führt zu Einsatzbereichen bei erhöhter Temperatur.
- Die Laserstrukturierung der metallisierten Kunststofffolien ist durchführbar.
- Mittels der Laserstrukturierung werden Lateralabmessungen von bis zu 15 µm erzielt, d.h. bis zu 15 µm Leiterbahnbreite und bis zu 15 µm Abstand zur benachbarten Leiterbahn/Kontaktfeld.
- Die Reinigungstechnologien für das Laserdebries bei Abmessungen < 25 µm nach der Laserstrukturierung sind noch nicht umfassend und abschließend bearbeitet.
- Der Schichtaufbau von stromlos Kupfer wird in einem Mac Dermid Bad mit 2 µm je Stunde Verweilzeit durchgeführt.
- Der Aufbau von stromlos Nickel ist im DEGUSSA Bad NIRUNA 811 durchführbar.
- Die Folgemetallisierung von Gold wird im DEGUSSA Bad AURUNA 510 realisiert.
- Als Prüfspezifikation wird der Schältest nach IPC-TM-650 herangezogen.
- Der Schältest wird vor und nach Alterungsprozessen durchgeführt.
- Als Alterungsprozesse wurden ausgewählt: trockene Wärme 150º C; feuchte Wärme 85/85; schneller Temperaturwechsel -55º C bis 125º C und High Pressure Cooker. Die Alterung wurde über verschiedene Zeitspannen durchgeführt.
- Die Goldschicht erfüllt die Bondanforderungen der Anwender.