DE60116744T2

DE60116744T2 - Verfahren zur herstellung eines elektrischen verbindungselements und elektrisches verbindungselement

Info

Publication number: DE60116744T2
Application number: DE60116744T
Authority: DE
Inventors: Walter Schmidt
Original assignee: Dyconex AG
Current assignee: Dyconex AG
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: US20030121700A1; EP1269807A1; DE60116744D1; WO2001080612A1; EP1269807B1; US6954986B2; AU2001242207A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen elektrischer Verbindungselemente, wie zum Beispiel gedruckte Leiterplatten (PCBs; engl.: Printed Circuit Boards), sehr dichte Zwischenverbindungen (HDIs; engl.: High-Density-Interconnects), Kugelgitteranordnungs-(GGH-; engl.: Ball-Grid-Array)-Substrate, Baugruppen in Chipgröße (CSP; engl.: Chip Scale Packages), Multi-Chip-Modul-(MCM; engl.: Multi-Chip-Module)-Substrate etc. Sie betrifft auch ein elektrisches Verbindungselement und eine Vorrichtung zum Herstellen elektrischer Verbindungselemente.
Bei moderner Leiterplattentechnologie werden aufgrund zunehmender Miniaturisierung herkömmlich gebohrte Durchgangslöcher mehr und mehr durch Mikrodurchkontaktierungen (engl.: Microvias) ersetzt. Verfahren zum Herstellen solcher Mikrodurchkontaktierungen umfassen Laserbohren und Plasmabohren sowie photochemisches Strukturieren. Ein neues Verfahren zum Herstellen von Mikrodurchkontaktierungen ist in WO 00/13062 offenbart worden. Dieser neue Technologieansatz, Mikro-Perforation, ist ein Verfahren, das umfasst, Mikrolöcher in ein verformbares dielektrisches Material mechanisch hineinzutreiben. Mit Mikro-Perforation ist jede Form einer Mikrodurchkontaktierung möglich. Durch Steuerung der Länge und Größe von Perforationsspitzen kann auch die Bildung sehr kleiner Blindmikrodurchkontaktierungen erreicht werden.
Die Herstellung von Blindmikrodurchkontaktierungen durch Mikro-Perforation und die anderen Verfahren des Standes der Technik haben jedoch gemeinsam, dass ein Durchkontaktierungsherstellungsschritt von einem Kontaktierungsschritt zwischen den leitenden Schichten oder Anschlussbereichen über der Durchkontaktierung gefolgt werden muss. Abhängig von der Geometrie einer Mikrodurchkontaktierung kann ein solcher Kontaktierungsschritt eine chemische oder physikalische Abscheidung eines Leitermaterials als Impfschicht gefolgt von einem Elektroplattierungsschritt sein. Das Plattieren sehr kleiner Blindlöcher von 100 μm im Durchmesser und weniger ist sehr kompliziert und führt oftmals zu nicht plattierten Löchern und folglich unbrauchbaren Leiterplatten. Ein unvollständiges Plattieren von Seitenwänden der Löcher beeinflusst ebenfalls die Zuverlässigkeit der Leiterplatten.
Wenn gemäß dem Stand der Technik ein Aufbau von drei, vier oder mehreren Schichten hergestellt wird, wird in einem ersten Schritt ein Kern bereitgestellt, der aus zwei leitenden und strukturierten Schichten besteht, die durch eine dielektrische Substratschicht mit Durchkontaktierungen getrennt sind. Dann werden dielektrische Schichten, die auf einer Seite mit einer Metallschicht beschichtet sind, nachfolgend auf den Kern laminiert, perforiert, plattiert und strukturiert. Dieses Vorgehen verstärkt noch den Einfluss der oben genannten Nachteile des heutigen Laminierverfahrens. Eine Überprüfung der Durchkontaktierungszuverlässigkeit und der Qualität des Strukturierens der äußersten Schicht ist nur möglich, nachdem die Letztere auf den Kern laminiert und strukturiert worden ist. Wenn eine Durchkontaktierungsseitenwand unvollständig plattiert ist, muss die gesamte Leiterplatte als unbrauchbar aussortiert werden, einschließlich eines möglicherweise fehlerlosen Kerns.
US 3,346,950 offenbart ein Verfahren zum Herstellen elektrischer Durchgangsverbindungen mit einem spitzen Durchstoßungswerkzeug. US 4,663,840 lehrt ein Verfahren, Leiter unterschiedlicher Schichten einer Mehrschichtleiterplatte zu verbinden, indem in die äußerste Schicht der Mehrfachschichtanordnung eine Vertiefung ausgebildet wird.
Es wäre wünschenswert, ein Verfahren an der Hand zu haben, das den oben genannten Plattierungsschritt zuverlässiger gestaltet und zu einer Verringerung von Herstellungskosten und Umwelteinflüssen führt, die von nasschemischen Bädern verursacht werden. Vorzugsweise sollte das Verfahren auch ein wirksameres Überprüfen möglich machen und die Situation verhindern, dass eine gesamte Leiterplatte einschließlich fehlerfreier Teile als unbrauchbar auszusortieren ist.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Herstellung von Mikrodurchkontaktierungen bereitzustellen, das die Nachteile vorhandener Verfahren überwindet und das im Speziellen den Elektroplattierungsschritt, um einen elektrischen Kontakt zwischen zwei leitenden Schichten herzustellen, zuverlässig und effizienter gestaltet.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren, wie in den Ansprüchen definiert, erreicht.
Gemäß der Erfindung werden Mikrodurchkontaktierungen in einer dielektrischen Substratschicht hergestellt, indem die Substratschicht durch eine erste leitende Schicht hindurch durchstoßen wird, die im Wesentlichen eine gesamte Seite des Substrats bedeckt. Die Durchstoßungstiefe entspricht wenigstens der gesamten Dicke des Substrats und der ersten leitenden Schicht. Das Leitermaterial der ersten leitenden Schicht wird während des Durchstoßungsschritts so verformt, dass es teilweise die Wand des Lochs bedeckt, das durch den Durchstoßungsvorgang hergestellt wird. Der geringe verbleibende Abstand zwischen dem Leitermaterial und der gegenüber liegenden Seite der Substratschicht kann einfach überbrückt werden, indem die Seite der ersten leitenden Schicht mit zusätzlichem Leitermaterial plattiert wird. An der durchstoßenen Stelle wird, wenn die Substratschicht eine Leiterabdeckung umfasst, ein zuverlässiger Durchkontaktierungskontakt hergestellt. Wenn sie jedoch frei von Leitermaterial ist, können an den durchstoßenen Stellen Vorsprünge entstehen. Diese Vorsprünge können mit leitendem Material eines anderen Substrats mit strukturierten Leiterschichten verlötet oder verschweißt werden, um einen Aufbau mit einigen Schichten herzustellen.
Nach dem Durchstoßungsschritt kann ein Plasma- oder nasschemischer Reinigungsschritt folgen, um mögliche Reste zu entfernen.
Nach dem Durchstoßungsschritt kann, wie bereits erwähnt, der Abstand zwischen dem verformten Leitermaterial, z. B. Kupfer, der ersten Leiterschicht zu der zweiten Seite des Substrats auf einfache Weise durch das plattierte Leitermaterial überbrückt werden. Es besteht kein Bedarf, eine vorab durchgeführte Abdeckung der Oberfläche durch chemisch abgeschiedenes Kupfer vorzusehen. Dies beseitigt alle kritischen Plattierungsvorgänge, die üblicherweise durchgeführt werden müssen, um die Oberfläche des dielektrischen Materials vorzubereiten, um es mit einer chemisch abgeschiedenen Metallschicht als Impfschicht für das Plattieren zu bedecken.
Die Erfindung betrifft auch ein durch das obige Verfahren hergestelltes Produkt, nämlich ein elektrisches Verbindungselement oder ein halbfertiges Produkt.
Im Folgenden werden Beispiele bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen
zeigen die 1a bis 1e schematisch ein PCB/HBI-Substrat (bzw. eine Komponente eines solchen PCB/HDI-Substrats) während unterschiedlicher Produktionsstufen,
stellen die 2a bis 2e schematisch einen oberen Deckel oder einen unteren Deckel eines PCB/HDI-Aufbaus mit vier Schichten während unterschiedlicher Produktionsstufen dar, und
zeigen die 3a bis 3d schematisch die Herstellung einer Komponente eines Aufbaus mit vier Schichten unter Verwendung von Komponenten, die gemäß den 1a bis 1e und 2a bis 2d hergestellt sind.
Die 1a bis 1e zeigen ein Verfahren zur Fertigung von PCB/HDI-Substraten oder halbfertigen Produkten für die Herstellung derselben mittels einer Mikroperforationstechnik. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1a–1e, 2a–2e und 3a–3d ein Verfahren zur Fertigung eines Aufbaus mit vier Schichten beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass das beschriebene Verfahren jedoch auch verwendet werden kann, um ein elektrisches Verbindungselement von 2 Schichten, 3 Schichten, 5 Schichten, 6 Schichten oder einer beliebigen anderen Anzahl an Schichten herzustellen. Ein PCB/HDI-Substrat mit zwei Schichten kann zum Beispiel unter Verwendung der Vorgehensweise von 1a–1e hergestellt werden. Auch ein Produkt, das gemäß den 2a–2e hergestellt ist, kann selbst als PCB/HDI-Substrat mit zwei Schichten dienen. Um ein PCB/HDI-Substrat mit mehr Schichten herzustel len, wie zum Beispiel ein Substrat, das gemäß 1a bis 1e (als halbfertiges Produkt) hergestellt ist, ist die geeignete Anzahl an gemäß 2a–2e hergestellten, halbfertigen Produkten hinzuzufügen.
In 1a ist das Kernbasismaterial 1 gezeigt, das bereits durch eine erste leitende Schicht 3 an seiner ersten Seite (oder oberen Seite) und einer zweiten leitenden Schicht 5 an seiner zweiten Seite (oder unteren Seite) beschichtet ist. Das Basismaterial (oder Substratmaterial) 1 ist ein Dielektrikum, z. B. Epoxyd, Polyimid, Flüssigkristallpolymer (LCP, engl.: Liquid Crystal Polymer), Polysulfon, Polyester, PEEK, Polycarbonat, etc. Das leitende Material kann Kupfer oder eine Kupfeilegierung sein. Es kann auch ein anderes leitendes Material, wie zum Beispiel Silber oder eine Silberlegierung, sein. In der folgenden Beschreibung eines Beispiels wird davon ausgegangen, dass die leitenden Schichten plattierte Kupferschichten sind. Als Beispiel kann die Dicke des Basismaterials etwa 25–100 μm betragen, die Dicke jeder plattierten Kupferschicht etwa 5–35 μm. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die Erfindung auch bei anderen Materialdicken funktioniert.
In dieses Plattierungsmaterial werden durch einen ersten Mikro-Perforations-(MP)-Schritt Mikrodurchkontaktierungen hergestellt: In 1b ist eine Perforationsspitze 1 schematisch gezeigt, die ausgehend von der ersten Seite der Substratschicht 1 angewendet wird. Die Perforationsspitze durchstößt die erste leitende Schicht 3, das Substratmaterial 1 sowie wenigstens teilweise die zweite leitende Schicht 5. Die Durchstoßungstiefe ist in der Figur durch d angegeben. Die Perforationsspitze kann ein Teil eines sequentiell arbeitenden Perforationswerkzeugs, einer Perforationsform, einer Perforationsrolle etc. sein. Hinsichtlich unterschiedlicher Arten, Mikroperforation vorzunehmen, und geeigneter Werkzeuge wird auf die Literatur Bezug genommen, insbesondere auf offengelegte Patentanmeldungen dieses Anmelders. Das Perforationswerkzeug umfasst auch eine Trägerplatte 13, die weich oder flexibel genug ist, um es der Perforationsspitze zu ermöglichen, so tief einzudringen, dass sie auf der Unterseite vorsteht.
Der Mikro-Perforations-(MP)-Vorgang kann z. B. bei Zimmertemperatur durchgeführt werden. Er kann abhängig von der Art der Polymerschicht auch bei einer anderen Temperatur durchgeführt werden, z. B. bei einer Temperatur zwischen Zimmertemperatur und 300°C oder 400°C. Indem die Spitze in das Material hineingedrückt wird, wird das dielektrische Material verformt und zur Seite gedrängt. Gleichzeitig wird das Kupfer von der Perforationsspitze verformt. Nach dem Perforationsvorgang bedeckt es einen wesentlichen Teil der Seitenwand des Lochs, das durch den MP-Vorgang hergestellt ist, wie in 1c skizziert.
Der Durchstoßungsschritt kann abhängig von den beteiligten Materialien und der Form der Perforationsspitze von einem Plasma- oder nasschemischen Reinigungsschritt gefolgt sein.
Das Produkt nach dem MP-Vorgang ist in 1c gezeigt. Die Wände der durch Durchstoßen hergestellten Löcher sind wenigstens teilweise durch Kupfermaterial der oberen Kupferschicht bedeckt. Dann wird wenigstens die erste Seite plattiert (1d). Durch diesen Vorgang wird der zurückbleibende Spalt zwischen dem oberen Schichtmaterial und dem unteren Schichtmaterial überbrückt und es wird eine Durchkontaktierung gebildet.
Es kann vorteilhaft sein, wie in der Figur gezeigt, beide Seiten in einem Schritt zu plattieren. Es sollte jedoch betont werden, dass nur das Plattieren der Seite, von der aus ausgehend die Löcher angebracht wurden, entscheidend ist. Es könnte gut sein, dass die Dicke der zweiten Kupferschicht (und möglicherweise auch ihrer Struktur, siehe unten) des vorab hergestellten Produkts von 1a so gewählt worden ist, dass sie nicht weiter behandelt werden muss. Durch den Plattierungsvorgang wird der Spalt zwischen dem Leitermaterial der ersten Schicht und der zweiten Schicht überbrückt und es wird eine Verbindung hergestellt.
Ein nachfolgender Photomustervorgang beider Kupferschichten (1e) kann z. B. gemäß Photomusterverfahren des Standes der Technik durchgeführt werden und ist hier nicht weiter beschrieben. Das resultierende halbfertige Produkt ist in der Figur durch 21 angegeben.
Die oberen und die unteren Deckelschichten sind auf eine Weise hergestellt, die sich von der Herstellung des Kerns unterscheidet. Die Kupferschicht 33, die nur an einer Seite eines nicht ausgehärteten dielektrischen Materials 31 plattiert ist, wie in 2a angegeben, wird durch den MP-Vorgang analog zu dem Kern durchstoßen. Die Kupferplattierungsseite des dielektrischen Materials wird im Folgenden als Oberseite bezeichnet, die gegenüber liegende Seite wird als Rückseite bezeichnet. Für den MP-Vorgang wird wiederum ein Perforationswerkzeug 11 verwendet (2b).
In 2c ist das Material nach dem MP-Vorgang gezeigt. Wiederum sind die Wände des Lochs teilweise durch Kupfer bedeckt.
Nach dem Plattierungsschritt ist, wie in 2d gezeigt, die Wand des Lochs vollständig mit Kupfer bedeckt, so dass eine Durchkontaktierung gebildet wird. Zusätzlich ragt etwas Kupfermaterial an der unteren Seite hervor.
Wie in 2e zu sehen, werden diese Vorsprünge 35 nachfolgend verzinnt. Dieses Verzinnen kann z. B. durchgeführt werden, indem die Deckelschicht auf einen Block oder Lage eines weichen und möglicherweise warmen Lötmaterials gedrückt wird. Etwas Lötmaterial 37 haftet dann an den Vorsprüngen 35.
Das resultierende Produkt ist in der Figur durch 51 angegeben. Nach dieser Vorgehensweise kann an der Rückseite des Produkts 51 ein Plasmareinigungsschritt vorgenommen werden, um mögliche Verunreinigungen wegzureinigen und etwas dielektrisches Material um die Kupfervorsprünge herum zu entfernen. Das Produkt 51 kann als halbfertiges Produkt zur Herstellung eines Aufbaus mit einigen Schichten dienen, z. B. wie unten beschrieben. Als Alternative kann das Produkt 51 auch als TCB/HDI mit zwei Schichten dienen, wobei die Vorsprünge mit Lötmaterial als elektrische Verbindungen dienen.
Dann werden bei dem hier beschriebenen Beispiel die oberen und unteren Schichten 51, 51' (beide gemäß 2a–2e hergestellt), wie in den 3a und 3b gezeigt, auf den Kern laminiert. Auf diese Weise wird ein HDI-Aufbau mit vier Schichten hergestellt. Indem so vorgegangen wird, werden die verzinnten Kupfervorsprünge in Richtung auf entsprechend ausgerichtete Kupferanschlussbereiche des halbfertigen Produkts 21 hin gepresst. Dieser Laminierungsschritt kann bei Zimmertemperatur oder abhängig von den Schichtmaterialien bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden. In jedem Fall werden die Parameter für diesen Laminierungsschritt, wie z. B. Temperatur und Druck, so gewählt, dass die vorab verzinnten Kupferspitzen mit dem Kern verlötet werden. Wenn das Polymermaterial z. B. ein Flüssigkristallpolymer (LCP; engl: Liquid Crystal Polymer) ist, kann die Temperatur z. B. zwischen 200°C und 450°C liegen. 3a zeigt die halbfertigen Produkte 21, 51, 51' und 3b veranschaulicht den Laminierungs/Lötvorgang. Die Bezugszeichen 61, 61' bezeichnen zwei Platten (die durch Rollen ersetzt werden können), zwischen denen der Druck zum Laminieren erzeugt wird. Aufgrund der erhöhten Temperatur, durch die das Löten ermöglicht wird, kann das Basismaterial abhängig von seiner Zusammensetzung gleichzeitig mit dem Lötvorgang ausgehärtet werden. Als Alternative zu der oben beschriebenen Vorgehensweise können Vorsprünge ohne Lötmaterial mit dem Kern in einem Heiß- oder Kaltschweißvorgang verschweißt werden. Der Aufbau 71 mit vier Schichten nach dem Laminieren ist in 3c gezeigt. Schließlich werden die äußersten Schichten des Aufbaus auf herkömmliche Weise photostrukturiert (3b).
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind keinesfalls die einzige Art, die Erfindung auszuführen. Der Fachmann wird einfach erkennen, dass vielerlei andere Ausführungsformen ersonnen werden können, ohne dabei den Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung elektrischer Verbindungselemente oder halbfertiger Produkte mit den Schritten Bereitstellen einer plastisch verformbaren dielektrischen Substratschicht (1, 31) mit einer ersten und einer zweiten Seite, wobei die erste Seite der plastisch verformbaren dielektrischen Substratschicht (1, 31) eine Beschichtung aus einer ersten leitenden Schicht (3, 33) umfasst, Durchstoßen der dielektrischen Substratschicht (1, 31) ausgehend von der ersten Seite durch die erste leitende Schicht (3, 33) mittels einer Perforationsspitze (11), so dass Durchstoßungslöcher gebildet werden, wobei die Durchstoßungslöcher Wände aufweisen, die wenigstens teilweise durch Leitermaterial der ersten leitenden Schicht (3, 33) bedeckt sind, wobei die Durchstoßungstiefe (d) größer als die gesamte Dicke der Substratschicht (1, 31) und der ersten leitenden Schicht (3, 33) ist, und Durchführen eines Plattierungsschritts, während dem die erste Seite weiter mit elektrisch leitendem Material versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Durchstoßen der Substratschicht und vor dem Durchführen des Plattierungsschritts ein Reinigungsschritt mittels Plasma- oder Nasschemikalien durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Seite der plastisch verformbaren dielektrischen Substratschicht (1), von der diese ausgeht, wenigstens teilweise mit einer zweiten leitenden Schicht (5) bedeckt ist, wobei die Perforationsspitze (11) während des Durchstoßungsschritts auch die zweite leitende Schicht (5) durchbohrt und wobei der Plattierungsschritt durchgeführt wird, bis über die Durchstoßungslöcher eine elektrische Verbindung zwischen der ersten leitenden Schicht (3) und der zweiten leitenden Schicht (5) hergestellt ist, so dass Durchgangskontaktierungen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Seite der Substratschicht (31), von der diese ausgeht, frei von leitendend Beschichtungen ist, wobei die Perforationstiefe die gesamte Dicke der Substratschicht und der ersten leitenden Schicht überschreitet und wobei nach dem Plattierungsschritt Leitermaterial Vorsprünge (35) auf der zweiten Oberfläche an den durchstoßenen Stellen bildet.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zusätzlich eine zweite plastisch verformbare dielektrische Substratschicht (31) mit einer ersten und einer zweiten Seite bereitgestellt wird, wobei die erste Seite der zweiten plastisch verformbaren dielektrischen Substratschicht (31) eine Beschichtung aus einer leitenden Schicht (33) umfasst, wobei die zweite Seite der zweiten plastisch verformbaren dielektrischen Substratschicht (31) frei von leitendend Beschichtungen ist, Durchstoßen der dielektrischen Substratschicht ausgehend von der ersten Seite durch die erste leitende Schicht mittels einer Perforationsspitze (11), so dass Durchstoßungslöcher gebildet werden, wobei die Durchstoßungstiefe (d) größer als die gesamte Dicke der zweiten Substratschicht (31) und der Beschichtung (33) der zweiten Substratschicht (31) ist, Durchführen einer Plattierungsschritts, während dem die Seite der zweiten Substratschicht, die die Beschichtung aus einer leitenden Schicht umfasst, weiter mit elektrisch leitendem Material versehen wird, so dass Leitermaterial Vorsprünge (35) auf der zweiten Oberfläche an den durchstoßenen Stellen bildet, und Verbinden der ersten und zweiten Substratschichten auf eine Weise, dass die Vorsprünge des zweiten Substrats mit elektrisch leitendem Material der ersten oder der zweiten leitenden Schicht des ersten Substrats verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Vorsprünge (35) mit einer Kappe aus Lotmaterial versehen werden und bei dem während des Verbindens der ersten und zweiten Substratschichten die Vorsprünge des zweiten Substrats mit elektrisch leitendem Material der ersten oder der zweiten leitenden Schicht des ersten Substrats verlötet werden.
Halbfertiges Produkt oder elektrisches Verbindungselement, hergestellt unter Verwendung des Verfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit einer dielektrischen isolierenden Schicht (1, 31) und einer ersten elektrisch leitenden Schicht (3, 33) an einer ersten Seite der dielektrischen Schicht, wobei die erste elektrisch leitende Schicht möglicher Weise strukturiert ist, wobei die dielektrische Schicht (1, 31) Mikrodurchkontaktierungen umfasst, die hergestellt sind, indem die dielektrische Schicht (1, 31) durch das Leitermaterial der ersten leitenden Schicht (3, 33) mechanisch perforiert und nachfolgenden plattiert wird.