Herstellungs- und Prüfverfahren für thermoplastische Schaltungsträger

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 97

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-02-12
Issue Year
1999
Authors
Beitinger, Gunter
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Meisenbach
ISBN
3-87525-129-6
Abstract

The processes of metallization and structuring are both the steps that determine quality and innovation within the manufacture of an electronic circuit carrier. Under these boundary conditions, the industry tries to achieve combinations of ecologically and economically efficient processes that lead to shorter process chains. In this dissertation, different process combinations for polymer coating and structuring are described, each starting from a different physical starting state of the material to be coated. In order to be able to provide quality-determining evidence for both thin and thick layers, a measuring device was developed and the associated measuring method standardized. For the first time, a connection between the peel test according to DIN IEC 326, which is used for thick layers (> 10 µm) and the forehead pull test according to DIN EN 582 for thin layers, was shown, which made it possible to compare the measured values of these two methods with each other. After a previous detailed research and comparison of all alternative metallization and structuring processes, the most promising processes with regard to the evaluation factors ecology, economy, process and technology were identified and analyzed with regard to their remaining deficits. The methods examined were thus the primer in combination with the laser technology, the physical coating and the lamination. In-depth process investigations from coating and structuring technology could be efficiently combined with one another and thus led to universal and state-of-the-art results within the individual technologies. The use of the metallizable adhesion promoter in connection with laser technology led to structures of significantly less than 30 µm with a simultaneous shortening of the process chain. The original deficit in the miniaturization of this method was thus eliminated. In addition to these minimal structures, general knowledge about the behavior of thermoplastics when exposed to laser radiation could also be obtained. By combining a protected PVD process with a special additive mask technology and optimized galvanic processes, even difficult-to-metallize plastics could be made accessible for MID applications and flexible circuit carriers. The parameters of the PVD metallization could be controlled by a suitable choice of the coating material and the plasma etching gases. The electrolytic amplification could be carried out reliably in cyanide baths. The combination with the developed fully additive structuring enabled this process to develop its full potential, whereby the components of a fully functional test module could be soldered in a standard soldering system. Suitable adhesives as well as copper foils were found for the lamination of thermoplastics and a functional circuit was built. For adhesive-free lamination, extensive investigations of the adhesive mechanisms of the copper foil depending on its pretreatment were carried out. Thermoplastics were laminated over the entire surface as well as structured, whereby the structured lamination led to a patent application. This process, which consists of the combination of three different metallization processes, increased the flexibility with regard to usable materials while reducing the structural widths. The initial deficits in terms of parameters and additive processes were thus eliminated. If one compares the trends and aspects of the printed circuit board industry with the results of this work, one recognizes that essential points were covered thereby. New base materials with improved properties with regard to thermal stress could be used. The use of the laser and the physical metallization satisfy the fine conductor technology. This is supported by the continuous favoritism of additive technology. Because all processes assume that both plates and foils are used, a future-oriented printed circuit board concept with continuous mechanical and electrical functional separation during production can be realized while simultaneously utilizing the functional integration during use. This means an exploitation of the economic processes in the level with continuous production of the electrical functions by differentiation and utilization of the advantages of the integration during the assembly by previous connection of the electrical and mechanical system.

Abstract

Die Prozesse Metallisierung und Strukturierung sind sowohl die qualitäts- als auch innovationsbestimmenden Schritte innerhalb der Herstellung eines elektronischen Schaltungsträgers. Unter diesen Randbedingungen versucht die Industrie Kombinationen von ökologisch und ökonomisch effizienten Verfahren zu erreichen, die zusätzlich zu kürzeren Prozeßketten führen. In dieser Dissertation werden unterschiedliche Verfahrenskombinationen zur Polymerbeschichtung und Strukturierung beschrieben, wobei jeweils von einem anderen physikalischen Ausgangszustand des zu beschichtenden Materials ausgegangen wurde. Um den qualitätsbestimmenden Nachweis sowohl für dünne als auch für dicke Schichten erbringen zu können, wurde eine Meßvorrichtung entwickelt und das zugehörige Meßverfahren standardisiert. Es konnte erstmalig ein Zusammenhang zwischen dem Schältest nach DIN IEC 326, welcher für dicke Schichten (> 10 µm) angewendet wird und dem Stirnabzugtest nach DIN EN 582 für dünne Schichten aufgezeigt werden, der es ermöglichte die Meßwerte dieser beiden Verfahren miteinander zu vergleichen. Nach einer vorhergehenden detaillierten Recherche und Gegenüberstellung aller alternativer Metallisierungs- und Strukturierungsverfahren wurden die in Hinblick der Bewertungsfaktoren Ökologie, Ökonomie, Prozeß und Technologie vielversprechendsten Verfahren identifiziert und bezüglich ihrer noch bestehenden Defizite analysiert. Die untersuchten Verfahren waren somit die Primer- in Kombination mit der Lasertechnologie, das physikalische Beschichten und das Laminieren. Eingehende Prozeßuntersuchungen aus Beschichtungs- und Strukturierungstechnologie konnten effizient miteinander kombiniert werden und führten so innerhalb der einzelnen Technologien zu universellen und dem Stand der Technik vorausgreifenden Ergebnissen. Der Einsatz des metallisierbaren Haftvermittlers in Zusammenhang mit der Lasertechnologie führte zu Strukturen von deutlich unter 30 µm bei gleichzeitiger Prozeßkettenverkürzung. Das ursprüngliche Defizit der Miniaturisierung dieses Verfahrens wurde somit behoben. Weiterhin konnten neben diesen minimalen Strukturen auch allgemeine Erkenntnisse über das Verhalten von Thermoplasten bei Beaufschlagung von Laserstrahlung gewonnen werden. Durch die Kombination eines geschützten PVD-Verfahrens mit einer speziellen additiven Maskentechnologie und optimierten galvanischen Prozessen konnten selbst schwer metallisierbare Kunststoffe für MID-Applikationen und flexible Schaltungsträger zugänglich gemacht werden. Die Parameter der PVD Metallisierung waren durch geeignete Wahl des Beschichtungsmaterials und der Plasmaätzgase bescherrschbar. Die elektrolytische Nachverstärkung konnte zuverlässig in cyanidischen Bädern durchgeführt werden. Durch die Kombination mit der entwickelten volladditiven Strukturierung konnte dieses Verfahren erst sein komplettes Potential entfalten, wobei die Bauelemente eines im Anschluß voll funktionsfähigen Testmoduls in einer Standardlötanlage verlötet werden konnten. Zur Durchführung der Laminierung von Thermoplasten wurden sowohl geeignete Klebstoffe als auch Kupferfolien gefunden und eine funktionsfähige Schaltung aufgebaut. Zur kleberlosen Laminierung wurden ausführliche Untersuchungen der Haftmechanismen der Kupferfolie in Abhängigkeit ihrer Vorbehandlung durchgeführt. Thermoplaste wurden sowohl vollflächig als auch strukturiert laminiert, wobei die strukturierte Laminierung zu einer patentrechtlichen Anmeldung geführt hat. Dieses Verfahren welches aus der Kombination von drei verschiedenen Metallisierungsverfahren besteht, steigerte die Flexibilität bezüglich verwendbarer Materialien bei gleichzeitiger Verminderung von Strukturbreiten. Die anfänglichen Defizite in Hinblick auf Parameter und additiver Verfahren waren somit beseitigt. Vergleicht man die Trends und Aspekte der Leiterplattenindustrie mit den Ergebnissen dieser Arbeit, so erkennt man, daß wesentliche Punkte hierdurch abgedeckt wurden. Es konnten neue Basismaterialien mit verbesserten Eigenschaften bezüglich Temperaturbelastung verwendet werden. Der Feinstleitertechnik wird durch den Einsatz des Lasers und der physikalischen Metallisierung genüge getan. Durch die durchgehende Favorisierung der Additivtechnologie wird dies noch unterstützt. Dadurch, daß alle Verfahren davon ausgingen, daß sowohl Platten als auch Folien eingesetzt werden, kann ein zukunftsorientiertes Leiterplattenkonzept mit durchgehender mechanischer und elektrischer Funktionstrennung während der Fertigung bei gleichzeitiger Ausnutzung der Funktionsintegration während der Nutzung realisiert werden. Dies bedeutet eine Ausnutzung der wirtschaftlichen Prozesse in der Ebene mit kontinuierlicher Fertigung der elektrischen Funktionen durch Differenzierung und Nutzung der Vorteile der Integration während der Montage durch vorhergehende Verbindung des elektrischen und mechanischen Systems.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
97
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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