DE10254927A1

DE10254927A1 - Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen auf einem Träger

Info

Publication number: DE10254927A1
Application number: DE10254927A
Authority: DE
Inventors: Andreas Karl; Frank PÜSCHNER; Andreas MÜLLER-HIPPER; Ewald Simmerlein-Erlbacher
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: TWI231734B; CN1717963A; WO2004049771A1; US20050272249A1; TW200414854A; DE10254927B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen auf einem Träger (10), bei dem zunächst eine Oberfläche (11) des Trägers (10) zumindest teilweise mit leitfähigem Partikel (12) bedeckt wird, anschließend eine Passivierungsschicht (14) auf die durch die leitfähigen Partikel (12) gebildete Partikelschicht (13) aufgebracht wird, wobei die Passivierungsschicht (14) als Negativbild der leitfähigen Struktur ausgebildet ist, und schließlich in den nicht durch die Passivierungsschicht (14) bedeckten Bereichen die leitfähige Struktur (15, 16) ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen auf einem Träger.
Die Herstellung von leitfähigen Strukturen auf einem Träger soll möglichst kostengünstig erfolgen. Dies ist insbesondere bei Produkten, die in hohen Stückzahlen hergestellt werden, wichtig. Solche Produkte sind beispielsweise Leiterplatten, bei denen eine identische leitfähige Struktur vielfach reproduziert werden muss. Gleichermaßen gilt dies bei der Herstellung von Trägerbändern für Chipkartenmodule. Die auf einem solchen Trägerband realisierte leitfähige Struktur stellt beispielsweise eine Antenne für kontaktlose Chipkarten (RFID) dar oder bildet eine Leiterstruktur, die zur Ankontaktierung des Halbleiterchips an die Antenne oder auch die externen Kontakte dient.

Die Herstellung einer solchen leitfähigen Struktur erfolgt beispielsweise mittels Kunststoff-Metallisierungs-Laminaten, bei denen zunächst eine Metallfolie – in der Regel aus Kupfer – vollflächig auf eine nicht-leitende Trägerschicht (Trägerfolie) aufgebracht wird. Die leitfähige Struktur wird durch Fotolithographie oder Drucktechnik und einem sich daran anschließenden Ätzvorgang strukturiert. Sofern eine leitfähige Struktur auf beiden Seiten der Trägerschicht gewünscht ist, wird ein Kunststoff-Metallisierungs-Laminat verwendet, das auf beiden Seiten der nicht-leitenden Trägerschicht mit der Metallfolie versehen wird. Die Strukturierung erfolgt dann auf beiden Seiten in der beschriebenen Vorgehensweise. Durchkontaktierungen zur Herstellung einer elektrischen Verbindung der auf den gegenüberliegenden Seiten der Trägerschicht befindlichen leitfähigen Strukturen erfolgt durch einen nachfolgenden Galvaniersierungsschritt.

Eine alternative Variante zur Herstellung einer leitfähigen Struktur besteht darin, das gewünschte Layout durch den Druck von Leitpasten zu realisieren. Als Leitpaste kommt vielfach polymere Tinte mit Silberleitpartikeln zum Einsatz. Um eine ausreichende Leitfähigkeit sicherzustellen, ist ein hoher Anteil an Silberleitpartikeln in der Leitpaste erforderlich, wodurch dieses Verfahren hohe Kosten verursacht. Zwar ermöglicht das Druckverfahren auf einfache Weise die Herstellung beidseitig strukturierter Trägerschichten, jedoch ist eine Durchkontaktierung (die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den auf den gegenüber liegenden Seiten der Trägerschicht gelegenen leitfähigen Strukturen) nicht möglich. Hierzu ist ein weiterer Verarbeitungsschritt notwendig.

Die beiden beschriebenen Herstellungsverfahren – Strukturierung mittels Ätztechnik oder Druck mit einer Leitpaste – verursachen aufgrund vieler notwendiger Prozessschritte und aufgrund des großen Materialverlustes hohe Kosten. Die Durchkontaktierung bedingt zusätzliche Arbeitsschritte. Nicht zuletzt ist die Belastung der Umwelt aufgrund des hohen Materialverlustes als Nachteil zu berücksichtigen.

Ein weiteres, jedoch selten eingesetztes Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen besteht in dem Ausstanzen der leitfähigen Struktur aus einer Metallfolie und anschließendem Aufkleben auf den Träger. Die hohen Kosten dieses Vorgehens werden durch den hohen Materialverlust beim Ausstanzen aus der Metallfolie verursacht. Weiterhin ist eine unmittelbare Durchkontaktierung nicht möglich.

Aufgrund der gleichen Nachteile kommen auch drahtgewickelte Strukturen bei der Herstellung von Leitplatten oder Chipkartenmodulen nicht mehr zum Einsatz.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen auf einem Träger anzugeben, welches einfach und kostengünstig ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zunächst eine Oberfläche des Trägers zumindest teilweise mit leitfähigen Partikeln zu bedecken, anschließend eine Passivierungsschicht auf die durch die leitfähigen Partikel gebildete Partikelschicht aufzubringen, wobei die Passivierungsschicht als Negativbild der zu erzeugenden leitfähigen Struktur ausgebildet ist, und schließlich in den nicht durch die Passivierungsschicht bedeckten Bereichen die leitfähige Struktur auszubilden.

Das Vorsehen einer Partikelschicht unter einer Passivierungsschicht ermöglicht die Ausbildung der leitfähigen Strukturen mit einfach zu beherrschenden und kostengünstigen galvanischen Prozessen. Wie auch aus den nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen ersichtlich werden wird, eignet sich die Erfindung vorteilhafterweise zur Herstellung von leitfähigen Strukturen, deren Layout häufig geändert werden muss. Insbesondere ist das Verfahren deshalb zur Herstellung kleiner Serien strukturierter Träger einsetzbar.

Die leitfähigen Partikel, die in Form eines Pulvers vorliegen, können auf die zu strukturierende Oberfläche des Trägers aufgeblasen, aufgesprüht, aufgedruckt oder dergleichen werden. Dieser Vorgang findet vorzugsweise unmittelbar nach dem Austritt des Trägers aus einem Kalander statt. Da die Oberflächen des Trägers zu diesem Zeitpunkt noch eine Adhesivkraft aufweisen, kann auf eine Verwendung eines Klebstoffes zur Befestigung der leitfähigen Partikel mit dem Träger verzichtet werden. Die leitfähigen Partikel sollten beim Aufbringen auf den Träger eine nicht-leitende Oberfläche aufweisen. Werden Partikel aus einem Metall verwendet, so kann die se nicht-leitende Oberfläche durch eine Oxyd-Schicht gebildet sein. Die nicht-leitende Oberfläche der leitfähigen Partikel unterbindet eine elektrische Leitfähigkeit derselben in x- und y-Richtung. Als y- und y-Richtung werden dabei die parallel zu der Oberfläche des Trägers liegende Achsen definiert. Eine elektrische Leitfähigkeit der leitfähigen Partikel in z-Richtung ist hingegen unschädlich und sogar erwünscht. Als z-Richtung wird die senkrecht zu der Oberfläche des Trägers stehende Achse definiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

In einer ersten Alternative erfolgt das Ausbilden der leitenden Struktur durch „Aktivierung" der nicht durch die Passivierungsschicht bedeckten Bereiche der leitfähigen Partikel. Die leitfähigen Partikel bestehen in diesem Fall vorzugsweise aus Kupfer (Cu). Die Aktivierung erfolgt durch Einbringen der Anordnung (bestehend aus dem Träger, der Partikelschicht und der strukturierten Passivierungsschicht) in ein Tauchbad. Beispielsweise kann hierzu ein Silbertauchbad verwendet werden. Hierdurch legt sich an den leitfähigen Partikeln Silber an. Nach kurzer Verweildauer der Anordnung in dem Tauchbad ist dann die leitfähige Struktur ausgebildet. Die Aktivierung kann gleichfalls durch Vornahme eines Galvanik-Prozesses vorgenommen werden. Die nicht durch die Passivierungsschicht bedeckte Bereiche der Partikelschicht sorgen für ein schnelles Ausbilden der leitfähigen Struktur. Es ist dabei die Verwendung jedes derzeit bekannten Galvanisierverfahrens möglich.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine galvanische und/oder chemische Verstärkung der durch die Aktivierung ausgebildeten leitfähigen Struktur. Durch diesen Prozess kann die Dicke der leitfähigen Struktur erhöht werden, so dass die Höhe der beispielsweise als Leiterzüge ausgebildeten Leiterstruktur an die Dicke der Passivierungsschicht angepasst werden kann. Auf diese Weise lässt sich ei ne optisch ansprechende Oberfläche gestalten. Darüber hinaus wird der Querschnitt der leitfähigen Struktur erhöht, so dass der Widerstand in günstiger Weise beeinflusst werden kann.

In einer zweiten Alternative erfolgt das Ausbilden der leitfähigen Struktur durch direkte Verstärkung der nicht durch die Passivierungsschicht bedeckten Bereiche der leitfähigen Partikel. Bei dieser Variante bestehen die Partikel vorzugsweise aus Eisen (Fe). Das Ausbilden der leitfähigen Struktur erfolgt durch einen Ionenaustauschprozess. Wird die Anordnung aus dem Träger, der Partikelschicht aus Fe und der strukturierten Passivierungsschicht in ein Kupfer-Bad eingebracht, so findet aufgrund der Kombination eines edlen mit einem unedlen Metalls eine Ionenaustausch statt, so dass sich an den leitfähigen Partikeln aus Eisen Kupfer aufbaut. Je nachdem, wie lange die Anordnung in dem Kupfer-Bad belassen wird, kann die Dicke der leitfähigen Struktur beeinflusst werden. Statt Cu und Fe kann auch jede andere Kombination aus edlem/unedlem Metall verwendet werden, welche einen Ionenaustauschprozeß aufweist.

Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der Passivierungsschicht mit einem Druckverfahren. Dabei kann jedes beliebige Druckverfahren eingesetzt werden. Der Einsatz eines Druckverfahrens ermöglicht eine schnelle Reaktion auf ein geändertes Layout der leitfähigen Struktur. Das Layout kann direkt von einem Computer mit einem üblichen Drucker auf den zu bearbeitenden Träger aufgebracht werden. Darüber hinaus sind keine anderen Werkzeuge notwendig. Die Verwendung eines Druckverfahrens weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass gegenüber bekannten Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen eine bessere Auflösung möglich ist. Die Feinheit der zu erzeugenden leitfähigen Struktur wird lediglich durch die Druckerauflösung bestimmt. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Offset-, eines Laser- oder eines Tintenstrahldruckverfahrens. Bei dieser Vorgehensweise entfallen somit kostenintensive Vorbereitungsschritte einer Strukturierung zum Beispiel mittels Fotolithographie und Ätzung.

In einer weiteren Variante erfolgt das Aufbringen der Passivierungsschicht mittels eines Photolackes zunächst vollflächig auf der Partikelschicht und anschließend eine fotografische Maskierung zur Ausbildung der leitfähigen Struktur. Dennoch ist kein Ätzvorgang notwendig.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden anstatt leitfähiger Partikel aus einem Metall leitfähige Partikel aus einem Polymer auf den Träger aufgebracht. Dabei muss sichergestellt sein, dass eine elektrische Leitfähigkeit in x- und y-Richtung unterbunden wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass nebeneinander liegende Partikel derart aufgebracht werden, dass sie nicht zusammenstossen.

Das Verfahren wird bevorzugt zur Herstellung von Leiterzugstrukturen, von Chipkarten oder von Leiterplatten verwendet; es kann prinzipiell zur Herstellung jeder leitfähigen Struktur eingesetzt werden.

Die Erfindung und deren Vorteile werden anhand der nachfolgenden Figuren und unter Zuhilfenahme eines Beispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Träger nach dem Aufbringen von leitfähigen Partikeln,
2 die Anordnung nach dem Aufbringen einer Passivierungsschicht,
3 die Anordnung nach dem Erzeugen einer leitfähigen Struktur und
4 die Anordnung nach dem Erzeugen einer leitfähigen Struktur, welche mit zwei Herstellungsschritten erzeugt wurde.
In den nachfolgenden Figuren ist das Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen auf einem Träger 10 in unterschiedlichen Herstellungsschritten beschrieben.
In 1 ist auf eine Oberfläche 11 des Trägers 10 eine Partikelschicht 13 aufgebracht. Die Partikelschicht 13 besteht aus leitfähigen Partikeln 12. Diese bestehen aus einem Metall, zum Beispiel Eisen oder Kupfer, oder aus einem Polymer. Die einzelnen leitfähigen Partikel sind benachbart zueinander auf der Oberfläche 11 angeordnet. Eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten leitfähigen Partikeln 12 besteht nicht. Sichergestellt werden kann dies dadurch, dass die leitfähigen Partikel 12 eine nicht-leitende Oberfläche aufweisen. Es ist dabei nicht notwendig, diese nicht-leitende Oberfläche durch eine spezielle Behandlung der leitfähigen Partikel zu erzeugen. Die an der Oberfläche eines jeden Metalls entstehende Oxidation ist bereits ausreichend, einen elektrischen Kontakt zu unterbinden. Eine elektrische Verbindung kann auch dadurch unterbunden werden, dass die leitfähigen Partikel, die beispielsweise mittels Aufblasen, Aufsprühen oder Aufdrucken auf die Oberfläche 11 aufgebracht wurden, zueinander beabstandet sind. Eine elektrische Leitfähigkeit in z-Richtung (die im vorliegenden Zeichnungsblatt senkrecht von unten nach oben verläuft) ist dagegen unschädlich und sogar gewünscht.
Bei dem Träger 10 kann es sich um ein beliebiges Material handeln. So ist der Einsatz von Kunststoff, Glas, Stoff oder ähnlichem möglich. Sofern der Träger 10 aus einem Kunststoff besteht, ist es vorteilhaft, die leitfähigen Partikel unmittelbar nach Herstellung dessen endgültiger Form aufzubringen. Werden die leitfähigen Partikel unmittelbar nach der Ausgabe des Trägers aus einem Kalander aufgebracht, so kann auf die Verwendung eines Klebers zur Herstellung einer ausreichenden Haftung der leitfähigen Partikel verzichtet werden. Wird als Träger hingegen ein Glas, ein Stoff, ein Stein oder dergleichen verwendet, so ist eine Befestigung der leitfähigen Partikel über eine Klebeschicht notwendig.
Bei dem vorliegenden Verfahren ist es darüber hinaus unerheblich, welche Oberfläche der Träger 10 aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der 1 ist der Träger 10 im Querschnitt rechteckig ausgebildet. Die Oberfläche 11 bzw. jede mit einer leitfähigen Struktur zu versehende Oberfläche könnte hingegen eine beliebige Krümmung aufweisen.
Nachdem die Oberfläche 11 des Trägers 10 (vollständig oder auch nur teilweise) mit den leitfähigen Partikeln 12 bedeckt ist, wird anschließend eine Passivierungsschicht 14 auf die durch die leitfähigen Partikel 12 gebildete Partikelschicht 13 aufgebracht. Das Aufbringen der Passivierungsschicht 14 erfolgt dabei vorzugsweise bereits in strukturierter Form, wobei diejenigen Bereiche, die später die leitfähige Struktur darstellen sollen von der Passivierungsschicht ausgespart bleiben. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Passivierungsschicht 14 ein Negativbild der späteren leitfähigen Struktur darstellt.
In der vorliegenden 2 weist die Passivierungsschicht 14 beispielhaft zwei Bereiche auf. An diesen Stellen wird die Ausbildung einer leitfähigen Struktur verhindert. Die leitfähige Struktur, die beispielsweise einen beliebig ausgestalteten Leiterzug darstellt, wird somit in dem nicht von der Passivierungsschicht 14 bedeckten Bereich erzeugt.
Das Aufbringen der Passivierungsschicht erfolgt vorzugsweise mit einem Druckverfahren. Es können dabei konventionelle Laser- oder Tintenstrahldrucker eingesetzt werden. Auch die Verwendung einer Offset-Druckmaschine ist denkbar. Der besondere Vorteil des Aufbringens der Passivierungsschicht mittels eines Druckverfahrens besteht darin, dass ohne apparativen Aufwand verschiedene Layouts von leitfähigen Strukturen auf einfache Weise erzeugt werden können. Das auf einem Computer erzeugte Layout kann unmittelbar mit dem Drucker auf die mit der Partikelschicht versehenen Träger aufgedruckt werden. Durch die anschließende Weiterbehandlung, die in den 3 und 4 beschrieben werden wird, kann das gewünschte Layout erzeugt werden. Auf die Verwendung eines komplizierten Fotolithographieverfahrens mit anschließendem Ätzvorgang gemäß Stand der Technik kann verzichtet werden. Das vorgeschlagene Verfahren ist deshalb gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren flexibler einsetzbar und vor allem kostengünstiger.
Die kosteneffiziente Fertigung resultiert auch aus dem anschließend vorgenommenen Fertigungsschritt der Ausbildung der leitfähigen Strukturen. In der 3 ist die leitfähige Struktur durch eine direkte Verstärkung der nicht durch die Passivierungsschicht 14 bedeckten Bereiche der Partikelschicht 13 erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel bestehen die leitfähigen Partikel vorzugsweise aus Eisen. Nach dem Eintauchen der in 2 dargestellten Anordnung in ein Kupfer-Bad findet ein Ionentauschprozess zwischen dem unedlen Metall Eisen und dem edlen Metall Kupfer statt. Hierdurch wächst die mit dem Bezugszeichen 15 versehene Kupferschicht auf den leitfähigen Partikeln 12 auf. Je nachdem, wie lange die Anordnung in dem Kupfer-Bad eingetaucht bleibt, kann die Dicke der leitfähigen Struktur 15 gesteuert werden. Insbesondere ist es möglich, diese in einer Ebene mit der Passivierungsschicht 14 abschließen zu lassen.
In der 4 ist die leitfähige Struktur 15 zunächst durch Aktivierung der nicht durch die Passivierungsschicht 14 bedeckten Bereiche der Partikelschicht 13 erfolgt. Die Partikel bestehen hier vorzugsweise aus Kupfer. Die leitfähige Struktur 15 ist durch eine Aktivierung in einem Tauchbad, welches zum Beispiel Silber enthält, erfolgt. Stattdessen könnte die in 2 dargestellte Anordnung auch einem galvanischen Prozess unterzogen werden. Um die elektrische Leitfähigkeit der mit dem Bezugszeichen 15 versehenen Struktur zu verwässern ist anschließend eine galvanische und/oder chemische Verstärkung vorgenommen worden, wodurch die Schicht 16 erzeugt worden ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist es möglich, die erzeugte leitfähige Struktur bündig mit der Oberfläche der Passivierungsschicht 14 abschließen zu lassen.
In den 1 bis 4 ist das prinzipielle Vorgehen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dieses Verfahren kann, wie eingangs bereits erwähnt, auf beliebig ausgestalteten Trägern 10 durchgeführt werden. Bei der Herstellung von Leiterplatten oder Chipkartenmodulen – also Trägern 10, die im wesentlichen flächig ausgebildet sind – ist häufig die Herstellung einer beidseitig leitfähigen Struktur erforderlich. In diesem Falle werden die in den 1 und 2 dargestellten und beschriebenen Schritten auf den beiden gegenüber liegenden Oberflächen des Trägers 10 nacheinander durchgeführt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die auf den gegenüber liegenden Oberflächen herzustellenden Negativbilder in Form jeweiliger Passivierungsschichten 14 nacheinander hergestellt werden. Die Ausbildung der jeweiligen leitfähigen Strukturen auf beiden gegenüber liegenden Oberflächen des Trägers erfolgen hingegen in einem einzigen Schritt. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass eventuell zu erstellende Durchkontaktierungen, also elektrische Verbindungen zwischen den Leiterstrukturen auf den gegenüber liegenden Oberflächen des Trägers, automatisch erzeugt werden. Ein weiterer Herstellungsschritt zur Erzeugung der Durchkontaktierungen ist deshalb nicht notwendig.

10: Träger
11: Oberfläche
12: leitfähige Partikel
13: Partikelschicht
14: Passivierungsschicht
15: Leiterstruktur
16: Leiterstruktur

Claims

Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Strukturen auf einem Träger (10), bei dem zunächst eine Oberfläche (11) des Trägers (10) zumindest teilweise mit leitfähigen Partikeln (12) bedeckt wird, anschließend eine Passivierungsschicht (14) auf die durch die leitfähigen Partikel (12) gebildete Partikelschicht (13) aufgebracht wird, wobei die Passivierungsschicht (14) als Negativbild der leitfähigen Struktur ausgebildet ist, und schließlich in den nicht durch die Passivierungsschicht (14) bedeckten Bereichen die leitfähige Struktur (15, 16) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbilden der leitfähigen Struktur (15) durch Aktivierung der nicht durch die Passivierungsschicht (14) bedeckten Bereiche der leitfähigen Partikel (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Struktur (15) galvanisch und/oder chemisch verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbilden der leitfähigen Struktur (15) durch direkte Verstärkung der nicht durch die Passivierungsschicht (14) bedeckten Bereiche der leitfähigen Partikel (12) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Passivierungsschicht (14) mit einem Druckverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Passivierungsschicht (14) zunächst vollflächig auf der Partikelschicht (13) erfolgt und anschließend eine fotolitographische Maskierung zur Ausbildung der leitfähigen Struktur vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Partikel (12) beim Aufbringen auf den Träger (10) eine nicht-leitende Oberfläche aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Träger (10) aufgebrachten leitfähigen Partikel (12) auf einem Metall, einer Metall-Legierung oder einem Polymer bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses zur Herstellung von Leiterzugstrukturen von Chipkarten oder Leiterplatten verwendet wird.