Projekt 18961/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Fertigung laserstrukturierter metallisierter flexibler Substratmaterialien für die Mikroelektronik

Projektträger

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der sich verstärkende Trend der Miniaturisierung in der Mikroelektronik setzt sich unvermindert fort. Speziell bei der Anschluss-
und Verbindungstechnik (AVT) gilt es, die Leiterbahngeometrien zu reduzieren. Werden heute noch Leiterbahnbreiten/-abstände von ca. 100 µm eingesetzt, so sind künftig Geometrien deutlich < 50 µm gefordert. Hierbei versagen die üblichen Herstellungstechnologien. Als neue Technologien bieten sich lasergestützte Verfahren an, die zudem umweltfreundlicher sind. Bislang wurden photolithographische Verfahren und die stark umweltbelastende Ätztechnik verwendet; die hier zu entwickelnde Technologie arbeitet ohne diese Prozesse und spart Arbeitsschritte ein: Dies ermöglicht eine Kostensenkung bis zu 20 % . Die zu entwickelnden Technologie zielt auf ein reproduzierbares Verfahren zur Herstellung laserstrukturierter metallisierter flexibler Substratmaterialien, das die zukünftigen technologischen Erfordernisse und eine Reduzierung der Umweltbelastung garantiert. Für die Metallisie-rung wird eine umweltfreundliche Reinigungstechnologie auf Basis Hochdruckwasserstrahl ohne weitere chemische Detergenzien entwickelt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Verfahren besteht aus lediglich zwei Teilprozessen, der Laserstrukturierung von dünnen Metallfilmen auf flexiblen Substratmaterialien (z. B. flexible Polyimidfolien, wird von Fa. LPKF vorgenommen) und dem Aufbau von funktionellen Schichten (beispielsweise Cu, Ni, Au.., wird von Fa. OTB realisiert). Eine um-fangreiche Bearbeitung des Parameterfeldes sowohl bei der Laserstrukturierung (Laserparameter, Testung der Ausbeute, Testung Verfahrensparameter) als auch bei der Metallisierung (Elektrolytauswahl, Stabilität, gezieltes Strukturwachstum, Optimierung Reinigungsverfahren..) legte die Kriterien und die Sicherheit für eine zukünftige Fertigung von flexiblen Schaltungen fest. Bei Projektbeginn wurde die stromlose Metallisierung verfolgt, jedoch ergab sich bei der Projektbearbeitung die Notwendigkeit, auch die stromführende Metallabscheidung mit einzubeziehen und so diese Technologie auf eine breite Anwen-dungsbasis zu stellen. Folgende Themenschwerpunkte wurden bearbeitet:
- Auswahl und Testung unterschiedlicher flexibler Substratmaterialien mit nm-Metallschichten für die Laserstrukturierung.
- Optimierung der Laserparameter zur Herstellung von flexiblen Feinstleiterschaltungen mit min. Leiterbahnabständen/Leiterbahnbreiten von <15 µm nach dem Maskenprojektionsverfahren sowohl im batch-Prozess (für einzelnme Stücke) als auch im Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
- Entwicklung eines Metallisierungsverfahrens für laserstrukturierte Feinstleiterschaltungen sowohl mittels stromloser Metallabscheidung als auch stromführend-galvanischem Aufbau. Der Aufbau chemisch-reduktive Schichten wurde aus Kostengründen nur im batch-Prozess durchgeführt, der galva-nische Aufbau erfolgte sowohl im batch-Prozess als auch im Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
- Entwicklung eines Hochdruckwasserstrahl-Reinigungsverfahrens für gelaserte Folien.
- Charakterisierung der gelaserten und metallisierten flexiblen Schaltungsträger entsprechend IPC-Normen.


Ergebnisse und Diskussion

- Bei Verwendung flexibler Schaltungsträger (Polyimide), die mit max. 150 nm starken Cu-Schichten und einer Haftschicht von max. 15 nm versehen waren, gelingt eine Laserablation bis zu Strukturdimensionen von min. 15 µm nach dem Maskenprojektionverfahren.
- Als kostengünstig hat sich die Rolle-zu-Rolle-Fertigung gezeigt (ein Kostenvergleich ergab gegenüber der Laserablation im batch-Prozess eine Kostenreduktion um den Faktor 10).
- Der Schichtaufbau mit Cu konnte sowohl chemisch-reduktiv als auch galvanisch-stromführend realisiert werden. Beim chemisch-reduktiven Aufbau ist die Reinigung nach der Laserablation eine unerlässliche Voraussetzung, um Überwachsungen und Kurzschlüsse zu vermeiden.
- Der additive Leiterbahnaufbau ist ungeführt und zeigt ein analoges Breitenwachstum verglichen mit dem Höhenwachstum der Schichten. Das konnte sowohl beim chemisch-reduktiven Leiterbahnaufbau als auch beim galvanisch-stromführenden Aufbau beobachtet werden. Diese Tatsache muss bereits beim Layout berücksichtigt werden. Aus diesem Grund ist diese Technologie maßgeblich für Schichtaufbauten mit Gesamtschichtstärken < 8-10µm geeignet.
- Neben dem Aufbau von Kupfer- Schichten (Cu max.5 µm) wurden weiterhin Nickel- und Gold- Schichten als Folgeschichten verwendet (Ni max. ca. 4 µm, Au max. 0,5 µm).
- Der galvanisch-stromführende Prozess wurde als Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit Durchsätzen von 1 m/min (1 Test-Modul) realisiert.
- Als eine unbedingt erforderliche und umweltfreundliche Prozess-Stufe hat sich die Hochdruckwasserstrahlreinigung erwiesen; hiermit gelingt die vollständige Entfernung des Laserdebris.
- Es wurde ein funktionsfähiger Demonstrator aufgebaut , der mittels dieser entwickelten Technologie hergestellt wurde.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Bearbeitungszeitraum wurden folgende Aktivitäten zur Publizierung der Ergebnisse unternommen:
- Abscheidung von Leiterbahnstrukturen mit Leiterbahnabständen von < 50 µm auf flexiblen Schaltungen; Vortrag Ulmer Gespräche, 2./3. Mai 2002 und Berichtsband im Leuze-Verlag
- Laserablation - eine umweltfreundliche Alternative zur Herstellung von Mikrostrukturen ohne Fotolithographie; VDMA-Nachrichten 03/2003, 56
- Laser Technologies for PCB Applications; EIPC Spring Conference 2003; Vortrag Prag, 15 .- 16. Mai 2003
- Sensor and Sensorelements Manufacturing: Laser Direct Patterning (LDP) for Reel-to-Reel Processing to generate High Throughput; Vortrag 11. Internationale Messe SENSOR 2003 Nürnberg; 13. - 15. Mai 2003; Proceedings, A 3.2
- Laserablation - ein neues Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen; Technische Universität Chemnitz, Institut für Technische Mechanik,Vortrag 20. Juni 2003
- Reel-to reel Processing: Fine Line Structuring by Laser Ablation; Technology & Production Process for Flexible Electronic Systems; Vortrag München, Forum Hotel, 26. November 2003
- Reel-to-reel Processing: Fine Line Structuring by Laser Ablation for Flexible Circuits 2nd International Conference on Flexible Circuits, Chip Scale and Bare Die Packaging; Vortrag Tempe/ AZ, 03. - 11.01.2004
- Laser Patterning at LPKF Laser & Electronics AG; Vortrag FhG-Forum R2R, 25. März 2004, München
- Reel-to-Reel Mass Production for Disposable Sensors by Laserablation; Vortrag SMTA Medical Electronics Symposium; May 19-20, 2004, Minneapolis/ MN
- Reel-to-Reel Processing: Electrode Structures for Polymer Electronics by Laser Ablation;
Vortrag: Symposium Technologies for Polymer Electronics, Rudolstadt 28. - 30. September 2004
- Laser patterning of vacuum coated flexible foils; FhG Kolloquium, 20. - 21. September 2005, Dresden
- Reel-to-Reel Processing: Flexible Circuits made by LDP (Laser Direct Patterning) TPCA-Show Flex and Chips; Vortrag Taipei/ Taiwan 09.11.2004
- Trends u. Anwendungen bei Flexiblen Schaltungen; Tageskolloquium DBU, Osnabrück 30.11.2004


Fazit

Im Ergebnis der Projektbearbeitung wurde eine Herstellungstechnologie für einseitige flexible Leiterplatten mit minimalen Auflösungen von Leiterbahnbreiten/Leiterbahnabständen <15 µm entwickelt.
Die Strukturierung erfolgt mittels UV-Laser (Excimer) im Maskenprojektionsverfahren. Die maximale Stärke der zu strukturierenden Cu- Schichten kann für das bei LPKF vorhandene Lasersystem mit 150 nm angegeben werden. Der weitere Aufbau dieser nm- Schichten kann sowohl stromlos (chemische Me-tallisierung) als auch durch stromführende Galvanik erfolgen. Entsprechend Leiterbahngeometrie ist dieser additive Aufbau von metallischen Schichten auf Grund des Breitenwachstums in der Höhe limitiert (Verhältnis Höhenwachstum/ Breitenwachstum ca. 1:1). Höchste Durchsätze werden sowohl bei der Laserablation als auch bei der Metallisierung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erzielt.