DE19716044C2 - Verfahren zum selektiven galvanischen Aufbringen von Lotdepots auf Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven galvanischen Aufbringen von Lotdepots auf Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Leiterplatten enthalten auf ihrer Oberfläche Pads (Kupferflächen), auf die unter Verwendung von Zinn-Blei-Lot Bauelemente aufgelötet werden. Beim Aufschmelzlöten oberflächenmontierter Bauelemente muß das notwendige Lot in Form eines Depots zur Verfügung gestellt werden.

Für die Bestückung ausgelieferte Leiterplatten bestehen aus voneinander elektrisch getrennten metallischen Leiterzügen und Metallflächen (Pads) auf isolierendem Träger. Die Leiterzüge sind meist durch einen Oberflächenschutz (Lötstopplack), der sich mit Ausnahme der Pads über die gesamte Leiterplattenfläche zieht, geschützt. Auf die Pads werden oberflächenmontierte Bauelemente unter Verwendung von Zinn-Blei-Lot durch Aufschmelzlöten aufgelötet (Montage). Dazu muß die erforderliche Lotmenge durch ein vorher auf die Pads aufgebrachtes Lotdepot zur Verfügung gestellt werden. Diese Lotdepots müssen definierte Abmessungen und insbesondere eine relativ große Höhe haben. Weiterhin müssen die Oberflächen plan sein, damit das aufschmelzende Lot beim Löten die Bauelementanschlüsse umschließt, denn Lot bildet beim Aufschmelzen eine kugelförmige Oberfläche auf Grund der Oberflächenspannung aus. Das Depot wird dadurch höher. Aus diesem Grund sind vor der Montage aufgeschmolzene Lotdepots oder schmelzflüssig aufgebrachtes Lot nicht geeignet.

Zu den bekannten Verfahren zur Herstellung dieser Lotdepots zählt der Sieb- oder Schablonendruck von Lotpasten. Dieses Verfahren wird derzeit weitestgehend angewendet. Es werden zwar plane Depots erzeugt, die jedoch nicht fest sind und damit durch mechanische Beanspruchung zerstört werden können. Damit muß der Anwender diesen Arbeitsgang unmittelbar vor dem Montageprozeß ausführen. Angestrebt werden deshalb feste Lotdepots, die vom Leiterplattenhersteller vorkonfektioniert geliefert werden. Weiterhin ist der Sieb- oder Schablonendruck für Feinstruktur- Anwendungen nicht mehr präzise genug. Durch seitlich unter dem Sieb oder der Schablone austretendes Lot oder durch beim Aufsetzen der Bauelemente verdrücktes Lot können Lotperlen auf der isolierten Oberfläche oder Kurzschlüsse entstehen, die die Qualität der Leiterplatten verringern.

Verfahren zum Planieren aufgeschmolzener Lotdepots sind bekannt. In durch eine zusätzliche wieder entfernbare Resistschicht hergestellte Kavitäten wird Lot (als Paste oder schmelzflüssig) eingebracht (EP 0487 782 A1), aufgeschmolzen und durch einen Walzvorgang planiert (EP 0681 416 A2). Das Verfahren ist kompliziert, nicht zuverlässig genug und ebenfalls nur bedingt für feine Strukturen verwendbar. Auch das Formen mittels Matritzen (EP 0540 497 A2) oder das Aufpressen von gestanzten Lotfolien (DE 195 35 622 A1) findet Anwendung, ist jedoch für feine Strukturen nicht anwendbar. Durch den Walzvorgang werden Oxide gebildet und in die Oberfläche eingearbeitet, wodurch die Lötfähigkeit beeinträchtigt wird.

Weiterhin ist der galvanische Auftrag fester dicker Lotschichten auf die Pads bekannt. Dies ist ein wirtschaftlich günstigstes Verfahren zur Herstellung relativ dicker Metallschichten. In der DE 43 07 784 A1 wird dieses Verfahren eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird die galvanische Lotabscheidung bereits in einer Vorstufe im Leiterplattenherstellungsprozeß, wenn die leitende Kupferkaschierung noch vorhanden ist, durchgeführt. Danach wird aber das aufgebrachte Lotdepot im weiteren Leiterplattenherstellungsprozeß durch die nachfolgenden Arbeitsschritte, insbesondere den Ätzprozeß chemisch und durch die Aushärtung des Lötstopplackes (Oberflächenschutz) thermisch stark korrodiert. Ergebnis ist eine schlechte Lötbarkeit.

Insbesondere durch die geforderte Höhe der Beschichtung und die Materialmenge, können bekannte chemische stromlose Abscheidungsverfahren durch z. B. Ladungsaustausch nicht Anwendung finden, da nur geringe Materialmengen abgeschieden werden können. Lediglich die galvanische Abscheidung mittels Strom ist produktiv genug, um feste Lotdepots ausreichender Höhe mit planer Oberfläche herzustellen. Um die abgeschiedenen Metallschichten jedoch durch nachfolgende chemische und thermische Prozesse wenig zu schädigen, muß die Abscheidung möglichst als letzter Arbeitsgang vor der Montage erfolgen. In diesem Bearbeitungszustand sind die Pads auf der Leiterplatte nicht mehr elektrisch miteinander verbunden, wodurch die galvanische Abscheidung mittels Strom ungeeignet erscheint. Deshalb muß die Leiterplatte mit einer Leitschicht überzogen werden.

Es ist bekannt, Kunststoffflächen galvanisch mit einer Metallschicht zu versehen. Dazu werden diese Flächen herkömmlich mit leitfähigen Materialien beschichtet, auf die dann galvanisiert werden kann. Bekannt sind Beschichtungen mit Graphit oder Ruß, mit intrinsisch leitfähigen Polymeren (DE 42 27 836 A1 oder DE 195 02 988 A1), mit Metallic-Grundlack (DE 36 37 088 C2). Diese Schichten können auch maskiert werden, damit eine selektive Beschichtung erfolgen kann (DE 36 37 088 C2). Diese Verfahren dienen jedoch dazu, die nichtleitenden Flächen galvanisch zu beschichten. Meist verbleibt die leitfähige Beschichtung oder ein Teil eines zusammengesetzten Lackes (DE 36 37 088 C2) unter der aufzugalvanisierenden Metallschicht als Haftvermittler. Die Leitfähigkeit dieser aufgebrachten Materialien ist meist für die Stromleitung für eine galvanische Abscheidung zu gering.

In einem bekannten Verfahren (EP 0726 698 A2) wird zur Herstellung von Lotbeschichtungen auf Pads von Mikroleiterplatten die gesamte Leiterplatte mit einer leitfähigen Metallschicht überzogen. Diese Metallschicht kann durch chemisch/galvanische Abscheidung von Metallen, wie Kupfer, Gold u. a. oder durch Vakuumbedampfung (u. a. mit Aluminium) hergestellt werden. Nach einer Abdeckung mit einem Dielektrikum und dessen Strukturierung, gegebenenfalls der strukturierten Entfernung der Leitschicht wird galvanisch Zinn-Blei oder ein anderes Lot so abgeschieden, daß die Menge nach dem Aufschmelzen den Raum zwischen der Lötabdeckung um das Pad ausfüllt und der Meniskus über das Niveau der Lötabdeckung ragt. Durch das notwendige Aufschmelzen entsteht keine plane, sondern eine kuglige Oberfläche des Lotdepots. Die leitfähige Metallschicht verbleibt bzw. löst sich im Lot auf und kann dabei die Lötergebnisse beeinträchtigende Metalllegierungen ergeben oder sie muß durch einen zusätzlichen Ätzschritt entfernt werden. Die Entfernung der erforderlichen Leit- und Strukturierungs-Hilfsschichten muß mehrstufig erfolgen. Das Aufbringen der Leitschicht mittels galvanotechnischer oder vakuumtechnischer Verfahren ist sehr arbeitsaufwendig. Weiterhin muß die Leitschicht entweder sehr gut lötfähig sein oder leicht entfernt werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein weiteres Verfahren zur galvanischen Herstellung von Lotdepots mittels elektrischer Kontaktierung vereinzelter Pads auf Leiterplatten zur nachfolgenden strukturierten galvanischen Behandlung, wobei die elektrische Kontaktierung, die Strukturierung und die Entfernung der Hilfsschichten in wenig Arbeitsschritten durchgeführt werden sollen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch angegebenen Merkmalen gelöst.

Auf die gesamte Oberfläche der strukturierten und mit Lötstopplack abgedeckten Leiterplatte wird eine zusätzliche leitfähige Schicht aufgebracht. Diese Leitschicht kann aus reinem Metall bestehen (z. B. eine aufgesputterte Al-Schicht, eine chemisch/fremdstromlos nach bekanntem Verfahren aufgebrachte Kupferschicht) oder aus einem gut leitfähigen Polymer (z. B. Polymerlack oder fotostrukturierbarer Lack, der mit Metallpulver oder leitfähigen anorganischen oder organischen Verbindungen gefüllt ist oder ein intrinsisch leitfähiges Polymer hoher Leitfähigkeit) oder einem sandwichartigen Verbund einer reinen Polymerfolie (z. B. Fotoresist) mit einer leitfähigen Schicht (z. B. metallgefülltes Polymer) bestehen. Die Sandwichfolie wird dann mit der leitfähigen Seite auf die Isolier- und Metallflächen auflaminiert.

Diese temporäre Leitschicht wird mit einer strukturierbaren Abdeckung (temporärer Lackabdeckung) versehen, damit sie bei dem nachfolgenden Galvanikprozeß nicht mit beschichtet wird. Die Strukturierung kann durch strukturierten Auftrag (Siebdruck o. ä..) oder durch fotolithografische Prozesse eines üblichen Fotolackes erfolgen. Die Pads bleiben frei oder werden durch fotolithografische Bearbeitung (Belichten, Entwickeln) der Abdeckung freigelegt. Diese Abdeckung braucht nicht zu erfolgen, wenn die Leitschicht auf Grund ihres Aufbaues (Sandwich- Aufbau) oberflächlich nicht leitfähig ist

Auf den freigelegten Metallflächen wird die temporäre Leitschicht von den Pads so entfernt, daß nur die Ränder des Pads elektrisch kontaktiert werden, die Padfläche jedoch frei von Fremdschichten ist. Das kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, daß die Leitschicht selbst fotolithografisch bearbeitbar und damit bereits mit belichtet und entwickelt wird (Leitmaterial gemischt mit fotostrukturierbarem Lack) oder leicht löslich oder ätzbar ist.

In die entstandenen Kavitäten werden galvanotechnisch aus einem Elektrolyten unter Verwendung der temporären Leitschicht zur Stromübertragung auf die damit kathodisch geschalteten Pads nach üblichem Verfahren eine oder mehrere Schichten der aufzutragenden Metalle oder sonstige durch galvanische Verfahren abscheidbare Materialien abgeschieden. Damit entsteht das feste Lotdepot.

Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren feste Lotdepots hergestellt werden, die eine plane Oberfläche besitzen, die durch nur geringe chemische und thermische Beanspruchung wenig verändert ist, sodaß die gute Lötfähigkeit erhalten bleibt. Weiterhin zeichnet sich das Verfahren durch wenige Arbeitsschritte (fotolithografische Strukturierung und Galvanisierung) aus. Das Verfahren ist auch geeignet, andere galvanisch herstellbare Materialaufbauten auf vereinzelt liegenden Metallflächen zu realisieren.

Durch die Strukturierung können auch Metallflächen, die nicht beschichtet werden sollen (zum Bonden vorbereitete Flächen, Durchkontaktierungen) und nicht durch den Oberflächenschutz geschützt sind, unbeschichtet bleiben.

Die Erfindung wird zunächst nachstehend anhand der Zeichnung erläutert:

In den Fig. 1-6 wird die Abfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zum Vorliegen der erfindungsgemäßen Leiterplatte dargestellt.

Fig. 1 zeigt zunächst eine typische Leiterplatte, auf der die zu galvanisierenden Metallflächen (Pads) für die Aufnahme der Lotdepots (1) und nicht zu galvanisierende Metallflächen (2) bzw. Leiterzüge (3) dargestellt sind. Die nicht zu galvanisierenden Metallflächen sind schon durch einen Oberflächenschutz (Lötstopplack) abgedeckt.

Fig. 2 zeigt diese Leiterplatte im Querschnitt mit den vorhandenen Pads aus Kupfer (1) und dem Lötstopplack (4), sowie dem isolierenden Träger (Basismaterial) (5) der Leiterplatte.

Fig. 3 stellt den ganzflächigen Auftrag der temporären Leitschicht (6) auf die Oberfläche der Trägerplatte und die aufgetragene temporäre Lackabdeckung (7) dar. Beide Schichten können nach­ einander oder im Verbund miteinander auf die Oberfläche aufgebracht werden. Im letzteren Fall muß die Leitschicht so verformbar sein, daß sie an den Kanten des Oberflächenschutzes nicht reißt. Wird im Siebdruck oder einem ähnlichen strukturierten Auftragsverfahren die temporäre Lackabdeckung (7) aufgebracht, ist sie dann bereits wie in Fig. 4 strukturiert.

In Fig. 4 ist die temporäre Lackabdeckung (7) strukturiert und die Leitschicht (6) von den zu beschichtenden Pads (1) entfernt. Die Strukturierung kann fotolithografisch erfolgen (wenn der Auftrag nicht bereits durch Siebdruck strukturiert erfolgt ist). Bei der fotlithografischen Strukturierung wird die temporäre Lackabdeckung so mit UV-Licht durch eine Fotovorlage belichtet, daß durch nachfolgende Entwicklung die zu galvanisierenden Flächen freigelegt werden. Es entstehen Kavitäten, in die später die Lotdepots eingebracht werden. Metallflächen oder Teile davon, die nicht galvanisch beschichtet werden sollen (2), bleiben bedeckt, wenn dies bei der Belichtung berücksichtigt wird. Wird insbesondere die Fotovorlage so gestaltet, daß ein schmaler Randbereich des Pads bedeckt bleibt, ist gewährleistet, daß die temporäre Leitschicht stets auf der Metallfläche endet. Ist dies nicht der Fall, können dort, wo die temporäre Leitschicht keinen Kontakt mit Metallflächen hat, vagabundierende Beschichtungen an den Flanken der Metallschicht auf den Isoliermaterialien oder dem Oberflächenschutz entstehen, die zwar mechanisch (weil nicht haftfest) entfernt werden können, jedoch zusätzlichen Aufwand erfordern. Durch überstehende temporäre Lackabdeckung wird auch vermieden, daß beim Entfernen der temporären Leitschicht von der Metallfläche die elektrische Leitung an den Flanken mit zerstört wird.

Fig. 5 stellt die galvanische Abscheidung der Zinn-Blei-Legierung bzw. des Lotdepots (8) in die Kavitäten dar. Die galvanische Abscheidung kann über den Rand der Abdeckung hinaus erfolgen, jedoch muß dann mit seitlichem Überwachsen gerechnet werden. Die mögliche Höhe der Beschichtung richtet sich nach der Dicke der temporären Lackabdeckung und dem auf Grund der Feinstruktur (Nähe benachbarter Metallflächen) möglichen seitlichen Überhang. An Stelle eines Metalles oder einer Metallegierung (Zinn/Blei-Lot für Reflow-Lötverfahren) kann auch ein sandwichartiger Metallaufbau aus verschiedenen galvanischen abscheidbaren Materialien in die Kavitäten eingebracht werden, wie z. B. ein Aufbau aus Kupfer mit oberflächlicher Nickel-Gold Abscheidung als Bondfläche oder palladiumbeschichtete Kontakte.

Fig. 6 stellt die fertige Leiterplatte im Querschnitt dar. Die temporäre Lackabdeckung (7) und die temporäre Leitschicht (6) wurden rückstandslos entfernt. Auf Grund der Herstellung ist die Oberfläche der aufgebrachten Metallschicht an der Oberfläche plan. Sie eignet sich besonders gut zum optimalen Aufsetzen vielpoliger SMD-Bauelemente, die dann durch Reflow-Löten kontaktiert werden sollen. Die Oberfläche des Lotdepots (8) ist chemisch und thermisch nahezu unbeeinflußt, da nach der galvanischen Abscheidung lediglich das Strippen der temporären Lackabdeckung und der temporären Leitschicht erfolgt. Dieses Strippen kann mit milden Strippern erfolgen. Die temporäre Leitschicht kann dabei in einem Arbeitsgang mit entfernt werden, wenn das Bindemittel oder die Schicht in dem gleichen Strippmittel entfernbar ist. Eine dünne Metallschicht aus Aluminium kann z. B. mi Hilfe verdünnter Säure oder Lauge, die wenig schädigend wirkt und nur kurzzeitig verwendet werden muß, entfernt werden. Eine thermische Belastung, wie sie beim Aushärten von Lötstopplack oder ähnlichen Oberflächenschutz entsteht, entfällt im Gegensatz zu anderen Verfahren, da dieser Oberflächenschutz vor und nicht nach der galvanischen Lotdepotherstellung angebracht werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Beispiel 1

Auf die ganze Oberfläche einer strukturierten und mit Lötstopplack beschichteten Leiterplatte wird ein speziell präparierter Fotofestresist als temporäre Lackabdeckung (7) laminiert, der auf seiner Unterseite eine leitfähige Schicht (temporäre Leitschicht (6)) eines feinkörnigen Silberpulvers in Fotolack gebunden enthält. Diese so vorbereitete Oberfläche wird mittels UV-Licht durch eine Fotoschablone belichtet und in einem üblichen Entwickler (z. B. 1.%-ige Sodalösung) entwickelt. Dabei lösen sich über den Pads (1), die mit Lotdepots (8) beschichtet werden sollen, die Resistschicht (7), der Fotolack und damit wird das Silberpulver abgeschwemmt. Danach wird in einem Zinn-Bleielektrolyten auf Fluoroboratbasis solange galvanisiert, bis die gewünschte Lotdepothöhe erreicht wird. In einem zweiten galvanischen Schritt kann noch eine lötvermittelnde Schutzschicht, z. B. Reinzinn abgeschieden werden. Fotoresist und Fotolack werden mittels Lauge abgelöst (gestrippt), das Silberpulver abgeschwemmt. Diese Leiterplatte kann nach dem Spülen und Trocknen sofort in üblicher Weise mit Bauelementen bestückt werden. Durch die Verwendung des speziell präparierten Fotofestresistes wird der Verfahrensaufwand beträchtlich gesenkt.

Beispiel 2

Vorgehensweise wie in Beispiel 1, jedoch wird statt des speziell präparierten Fotofestresistes ein mit Metallpulver gefüllter Fotolack auf die Leiterplatte aufgegossen. Während des Trocknungsprozesses sinken die Metallteilchen im Lack, so daß eine leitfähige Schicht (temporäre Leitschicht (6)) zur elektrischen Kontaktierung der Pads (1) ensteht, die Oberfläche des gehärteten Lackes (temporäre Lackabdeckung (7)) jedoch nicht galvanisierfähig ist. Es wird in der beschriebenen Form belichtet, entwickelt und galvanisiert. Durch einen milden Fotolackstripper wird die Lackschicht und damit auch das Metallpulver entfernt, die Leiterplatte gereinigt und getrocknet.

Claims (1)

1. Verfahren zum selektiven galvanischen Aufbringen von Lotdepots (8) auf mit Lötstoplack versehenen Leiterplatten, wobei

   • a) auf die Oberfläche einschließlich der freiliegenden Metallflächen eine zusätzliche leitfähige Schicht (6) aufgebracht wird,
   • b) die zusätzliche leitfähige Schicht (6) mit einer strukturierbaren Abdeckung (7) versehen wird,
   • c) die mit Lotdepots (8) zu versehenden Metallflächen (1) von der strukturierbaren Abdeckung (7) und der zusätzlichen leitfähigen Schicht (6) befreit werden, wobei die leitfähige Schicht so entfernt wird, daß die Ränder der mit Lotdepots (8) zu versehenden Metallflächen (1) mit der leitfähigen Schicht (6) kontaktiert bleiben,
   • d) in den bei Schritt c) gebildeten Kavitäten galvanotechnisch unter Verwendung der leitfähigen Schicht (6) ein oder mehrere Schichten aufzutragender galvanisch abscheidbarer Materialien abgeschieden werden und
   • e) die strukturierbare Abdeckung (7) und die leitfähige Schicht (6) von der Leiterplatte entfernt werden, wobei die Lotdepots (8) auf den Metallflächen verbleiben,
     dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) und b) in einem gemeinsamen Schritt erfolgen, indem
     • 1. ein mit Metallpulver gefüllter Fotolack aufgebracht wird, dessen Metallteilchen sich beim Trocknen absetzen und so die leitfähige Schicht (6) bilden, oder
     • 2. ein Festresist auflaminiert wird, der auf seiner Unterseite eine leitfähige Schicht (6) in Form von leitfähigen Metallpulvern aufweist.