DE102007021896A1

DE102007021896A1 - Flexibles Leiterplattenmaterial und Verfahren zum Herstellen desselben

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Publication number: DE102007021896A1
Application number: DE102007021896A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dipl.-Ing.(FH) Günther; Waldemar SCHÖNBERGER; Steffen Dipl.-Ing. Straach; Nicolas Dr. Schiller; Volker Prof. Dr. Kichhoff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2008-11-20
Also published as: WO2008138532A1; CN101688289A; KR20100015522A; US20100300731A1; JP2010530612A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein flexibles Leiterplattenmaterial, umfassend ein Polymersubstrat und eine Kupfer-Schicht, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei zwischen Polymersubstrat und Kupfer-Schicht eine dielektrische Schicht abgeschieden wird und die dielektrische Schicht und die Kupfer-Schicht mittels Vakuumverfahren abgeschieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Leiterplattenmaterial, umfassend ein Polymersubstrat mit einer Kupferbeschichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen flexiblen Leiterplattenmaterials.
Für das Herstellen flexibler Leiterplatten wird vorrangig mit Kupfer beschichtetes Polyimide verwendet. Polyimide zeichnet sich durch eine hohe thermische und chemische Beständigkeit aus und ist somit den Belastungen der einzelnen Prozessschritte beim Herstellen des Leiterplattenmaterials, wie dem galvanischen Nachverstärken einer aufgetragenen Kupfer-Schicht, einer anschließenden Strukturierung der Kupfer-Schicht durch ein Ätzmittel oder einer letztendlichen Bestückung des Leiterplattenmaterials mit den Funktionselementen durch Schwall- oder Tauchlöten gewachsen.
Neben der Beständigkeit des Polyimide im Verlauf der genannten Prozessschritte ist die Haftung der Kupfer-Schicht auf dem Polyimide während der Fertigung und der Lebensdauer des Leiterplattenmaterials von entscheidender Bedeutung. Für das Erreichen einer haftfesten Anbindung einer Kupfer-Schicht an Polyimide sind bereits verschiedene Verfahren ausprobiert worden. Eine zufrieden stellende Lösung wurde bisher jedoch noch nicht gefunden.
Stand der Technik
So ist es bekannt, die Oberfläche einer Polyimid-Folie einer reaktiven Ionenätzbehandlung zu unterziehen, bevor eine Kupfer-Schicht auf der Polyimid-Folie abgeschieden wird (Arthur L. Ruoff et al., Improvement of adhesion of copper an polyimide by reactive ion-beam etching, IBM J. Res. Develop., 1988, Vol. 32, S. 626–630). Das Aufbrechen der Polymerstrukturen des Substrates durch die Ionenätzbehandlung fördert zwar das Haftvermögen einer darauf abgeschiedenen Kupfer-Schicht, bewirkt aber gleichzeitig auch eine Veränderung von Materialeigenschaften des Substrates.
Zum Verbessern der Hafteigenschaften einer Kupfer-Schicht ist weiterhin vorgeschlagen worden, Haftvermittlerschichten zwischen einem Polyimidsubstrat und einer Kupferschicht abzuscheiden. So sind beispielsweise Unterschichten aus Cr oder NiCr zur Haftverbesserung einer Kupfer-Schicht bekannt (K. J. Blackwell et al., Enhancement of Chromium-to-Polyimide Adhesion by Oxygen DC Glow Treatment Prior to Roll-Sputter Seeding, Society of Vacuum Coaters, 1992, S 279–283). Ein Nachteil einer solchen Lösung besteht darin, dass beim Ätzen der Leiterbahnstrukturen, bei dem auch die Cr- bzw. NiCr-Schicht unter der Kupfer-Schicht mit abgeätzt werden muss, krebserregende Cr-VI-Verbindungen entstehen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch an Kupfer angepasste Ätzmittel ein Unterätzen der Leiterbahnstrukturen erfolgt, wenn diese Ätzmittel auf die Cr- bzw. NiCr-Schicht treffen.
In JP 2003011272 A sind weitere metallische Materialien offenbart, die als Haftvermittler zwischen einem Polyimidefilm und einer Kupfer-Schicht geeignet sind. Beim Strukturieren eines solchen Leiterplattenmaterials müssen derartige Unterschichten außerhalb der Kupfer-Leiterbahnen vollständig entfernt werden, weil diese elektrisch leitfähigen Unterschichten ansonsten einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Leiterbahnen erzeugen würden. Ätzmittel zum Strukturieren von Leiterplattenmaterial sind in deren Ätzwirkung jedoch insbesondere für das Ätzen von Kupfer ausgelegt, was zur Folge hat, dass die metallischen Unterschichten mit den verwendeten Ätzmitteln oftmals nicht vollständig zwischen den Leiterbahnen entfernt werden oder es kommt wieder zu dem bereits oben beschriebenen Unterätzen von Leiterbahnstrukturen.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde ein flexibles Leiterplattenmaterial und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, mittels denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere soll die Kupfer-Schicht des Leiterplattenmaterials eine hohe Haftfestigkeit auf dem Substratmaterial aufweisen und eine Strukturierung von Leiterbahnen auf dem Leiterplattenmaterial durch Ätzprozesse möglich sein.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 20. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Leiterplattenmaterials, umfassend ein Polymersubstrat und eine Kupfer-Schicht, wird zwischen dem Polymersubstrat und der Kupfer-Schicht eine dielektrische Schicht abgeschieden, wobei die dielektrische Schicht und die Kupfer-Schicht mittels Vakuumverfahren abgeschieden werden.
Eine derart abgeschiedene dielektrische Zwischenschicht vereint zwei Vorteile. Einerseits wirkt eine solche Zwischenschicht, welche mit einer Schichtdicke von bis zu 100 nm abgeschieden werden kann, als exzellenter Haftvermittler zwischen dem Polymersubstrat und der Kupfer-Schicht. Andererseits weist eine solche dielektrische Schicht keine elektrische Leitfähigkeit auf und muss deshalb beim Strukturieren der Leiterbahnen nicht zwischen den Leiterbahnen entfernt werden. Beim Strukturieren der Leiterzüge können daher die üblichen Ätzmittel, die insbesondere für das Ätzen von Kupfer-Material ausgelegt sind, verwendet werden.
Eine dielektrische Schicht kann beispielsweise als Oxid oder Mischoxid abgeschieden werden. Als Elemente für eine solche Oxid- oder Mischoxidschicht sind beispielsweise Ti, Zn, Nb, Mo, Sn oder Ta geeignet. Die Oxid- oder Mischoxidschicht kann auch mit weiteren Elementen dotiert sein. Besonders geeignet als dielektrische Schicht ist eine Schicht aus Titanoxid, weil Titanoxid als hervorragender Haftvermittler zwischen einem Polymersubstrat und einer Kupfer-Schicht fungiert.
Bei einer Ausführungsform wird die Titanoxid-Schicht zwischen Polymersubstrat und Kupfer-Schicht als Titandioxid-Schicht abgeschieden.
Alternativ kann die dielektrische Schicht auch aus einem Nitrid oder Oxynitrid abgeschieden werden. Eine derartige Schicht aus einem Nitrid oder Oxynitrid kann beispielsweise aus den Elementen Ti, Zn, Nb, Mo, Sn, Ta oder Si gebildet werden.
Zum Abscheiden einer dielektrischen Zwischenschicht sind Magnetronsputterverfahren geeignet, weil sich mit diesen auch sehr kleine Schichtdicken im Schichtdickenbereich von nur wenigen Nanometern mit gleich bleibenden Schichteigenschaften abscheiden lassen. So kann beispielsweise ein Dual-Magnetron, welches im Mittelfrequenzbereich von 5 kHz bis 250 kHz betrieben wird, zur Schichtabscheidung eingesetzt werden. Alternativ kann jedoch auch ein RF-Magnetron verwendet werden. Magnetronsputterverfahren können sowohl reaktiv als auch nicht reaktiv durchgeführt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine Oxid-Schicht abgeschieden, indem ein Titan-Target unter Anwesenheit des Reaktivgases Sauerstoff zerstäubt wird. Eine besonders einfache Prozessregelung kann hierbei vollzogen werden, wenn das Titan-Target im Vollreaktivmode zerstäubt wird, weil der Vollreaktivmode einen stabilen Prozesszustand darstellt. Des Weiteren wird mit einem Vollreaktivmode sichergestellt, dass eine vollstöchiometrische Titanoxid-Schicht abgeschieden wird.
Zum Abscheiden einer dielektrischen Schicht kann jedoch auch das Elektronenstrahlverdampfen oder auch ein CVD-Verfahren Anwendung finden, wobei jedes dieser Verfahren mit oder ohne Plasmaunterstützung durchgeführt werden kann.
Auch beim Abscheiden der Kupfer-Schicht kann alternativ entweder das Magnetronzerstäuben oder das Verdampfen aus Schiffchen oder mittels Elektronenstrahl verwendet werden, wobei das Verdampfen wiederum mit oder ohne Plasmaunterstützung ausgeführt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die dielektrische Schicht und die Kupfer-Schicht unmittelbar nacheinander und ohne Vakuumunterbrechung abgeschieden werden, weil dadurch ein besonders haftfester Schichtverbund erzielt wird.
Sollen gleich bleibende Schichteigenschaften auf der gesamten Oberfläche eines Polymersubstrates umgesetzt werden, dann ist das Polymersubstrat mit konstanter Geschwindigkeit während des Beschichtungsprozesses zu bewegen.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Kupfer-Schicht nach dem Abscheiden mittels eines Vakuumverfahrens durch ein galvanisches Verfahren nachverstärkt.
Ein erfindungsgemäßes flexibles Leiterplattenmaterial umfasst ein Polymersubstrat und eine Kupfer-Schicht, wobei zwischen dem Polymersubstrat und der Kupfer-Schicht eine dielektrische Schicht ausgebildet ist.
Das Polymersubstrat kann aus einem der Materialien Polyimid, PEN, PEEK, PET oder Fluorpolymer bestehen und entweder als Folie oder alternativ als Vlies oder Gewebe ausgebildet sein.
Für die dielektrische Schicht sind Schichtdicken von bis zu 100 nm geeignet. Eine dielektrische Schicht kann beispielsweise als Oxid oder Mischoxid der Elemente Ti, Zn, Nb, Mo, Sn oder Ta ausgebildet sein, wobei das Oxid oder Mischoxid weitere Dotierungselemente aufweisen kann. Ist die dielektrische Schicht als Titandioxid-Schicht ausgebildet, dann ist bereits eine Schichtdicke von 75 nm als Obergrenze hinreichend. Mit einer Schicht aus Titandioxid als Haftvermittlerschicht werden aber auch schon bei Schichtdicken unter 30 nm sehr gute Haftergebnisse erzielt.
Alternativ kann eine dielektrische Schicht auch als Nitrid oder Oxynitrid wie beispielsweise aus den Elementen Ti, Si, Zn, Nb, Mo, Sn oder Ta ausgebildet sein.
Bei einer Ausführungsform weist die Kupfer-Schicht des flexiblen Leiterplattenmaterials eine Haftfestigkeit von mindestens 6 N/cm, gemessen nach IPC-Norm 650, auf.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes flexibles Leiterplattenmaterial 1 schematisch im Schnitt dargestellt. Auf einem 25 μm dicken Polyimide-(Kapton HN)-Substrat 2 wurde eine 6 nm dicke TiO₂-Schicht 3 mittels MF-Sputtern abgeschieden. Dabei wurde in einer ersten Vakuumkammer mittels eines Doppelmagnetrons, welches im Mittelfrequenzbereich bei 40 kHz betrieben wurde, ein Titan-Target unter Anwesenheit des Reaktivgases Sauerstoff im oxidischen Mode zerstäubt. Ohne Unterbrechung des Vakuums erfolgte unmittelbar anschließend in einer zweiten Vakuumkammer das Abscheiden einer etwa 100 nm dicken Kupfer-Schicht 4. Für das Abscheiden der Kupfer-Schicht 4 wurde ein mit Gleichspannung betriebenes Einzelmagnetron verwendet. Die aufgesputterte Kupfer-Schicht 4 wurde anschließend galvanisch auf eine Gesamtschichtdicke von etwa 20 μm nachverstärkt.
Für die Haftfestigkeit der Kupfer-Schicht 4 auf dem Substrat 2 konnte nach IPC-Norm 650 ein Wert von 12,0 N/cm gemessen werden. Ohne die TiO₂-Schicht 3 wurde dagegen bei Vergleichsproben lediglich eine Haftfestigkeit von 4 N/cm erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2003011272 A [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Arthur L. Ruoff et al., Improvement of adhesion of copper an polyimide by reactive ion-beam etching, IBM J. Res. Develop., 1988, Vol. 32, S. 626–630 [0004]
- K. J. Blackwell et al., Enhancement of Chromium-to-Polyimide Adhesion by Oxygen DC Glow Treatment Prior to Roll-Sputter Seeding, Society of Vacuum Coaters, 1992, S 279–283 [0005]
- IPC-Norm 650 [0025]
- IPC-Norm 650 [0028]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Leiterplattenmaterials, umfassend ein Polymersubstrat (2) und eine Kupfer-Schicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Polymersubstrat (2) und Kupfer-Schicht (4) eine dielektrische Schicht (3) abgeschieden wird, wobei die dielektrische Schicht (3) und die Kupfer-Schicht (4) mittels Vakuumverfahren abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht derart ausgebildet wird, dass diese mindestens ein Oxid oder Mischoxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid oder Mischoxid aus mindestens einem der Elemente Ti, Zn, Nb, Mo, Sn oder Ta gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid als Titandioxid ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht derart abgeschieden wird, dass diese als Nitrid oder Oxynitrid ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrid oder Oxynitrid aus mindestens einem der Elemente Ti, Zn, Nb, Mo, Sn, Ta oder Si gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) durch Magnetronsputtern abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dual Magnetron verwendet wird, das im Mittelfrequenzbereich von 5 kHz bis 250 kHz betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein RF-Magnetron verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target unter Anwesenheit des Reaktivgases Sauerstoff zerstäubt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Target im Vollreaktivmode zerstäubt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht durch Elektronenstrahlverdampfen abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenstrahlverdampfen plasmaunterstützt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Titanoxid durch ein CVD-Verfahren abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupfer-Schicht (4) durch Magnetronsputtern abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupfer-Schicht durch Verdampfen abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfen aus Schiffchen-Verdampfern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfen durch Elektronenstrahlverdampfen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden der Kupfer-Schicht plasmaunterstützt erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht und die Kupfer-Schicht unmittelbar nacheinander ohne Vakuumunterbrechung abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymersubstrat während des Beschichtungsprozesses mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht mit einer Dicke von weniger als 100 nm abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupfer-Schicht (4) galvanisch verstärkt wird.
Flexibles Leiterplattenmaterial, umfassend ein Polymersubstrat (2) und eine Kupfer-Schicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Polymersubstrat (2) und Kupfer-Schicht (4) eine dielektrische Schicht (3) ausgebildet ist.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymersubstrat (2) aus einem der Materialien Polyimid, PEN, PEEK, PET oder Fluorpolymer besteht.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymersubstrat (2) als Folie ausgebildet ist.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymersubstrat als Vlies oder Gewebe ausgebildet ist.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) eine Dicke von weniger als 100 nm aufweist.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht ein Oxid oder Mischoxid umfasst.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid oder Mischoxid aus mindestens einem der Elemente Ti, Zn, Nb, Mo, Sn oder Ta gebildet ist.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid als Titandioxid ausgebildet ist.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3), welche Titandioxid umfasst, eine Dicke von weniger als 75 nm aufweist.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3), welche Titandioxid umfasst, eine Dicke von weniger als 30 nm aufweist.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht ein Nitrid oder Oxynitrid von mindestens einem der Elemente Si, Ti, Zn, Nb, Mo, Sn oder Ta umfasst.
Flexibles Leiterplattenmaterial nach einem der Ansprüche 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupfer-Schicht (4) eine Haftfestigkeit von mindestens 6 N/cm, gemessen nach IPC-Norm 650, aufweist.