Die Erfindung betrifft das Gebiet der Prägung von Strukturen auf dielektrischen Substraten, insbesondere in der Leiterplatten-und Verbindungssubstrattechnik. Sie betrifft insbesondere Presstempel, ein Verfahren und ein Prägewerkzeug gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Moderne Leiterplatten und analoge Verbindungssubstrate, wie High-Density-Inter- connects (HDI), Multi-Chip-Module (MCM) und auch sogenannte Interposer-Sub- strate wie Chip-Scale-Packages (CSP) oder Ball-Grid-Arrays (BGA) zeichnen sich durch eine immer höhere Packungsdichte aus, die gleichzeitig die Verwendung von Mikrolöchern und auch immer feineren Leiterstrukturen bedingt. Gleichzeitig nimmt der Druck in Richtung niedrigerer Kosten und auch in Richtung umweltneutraler Verfahren und Materialien ständig zu.

Konventionelle Verfahren zur Herstellung der Mikrolöcher basieren entweder auf Laser-Bohren, Plasmaverfahren bzw. photochemischer Prozesse. Die Verfahren zur Herstellung der Leiterstrukturen verwenden praktisch zu 100% photochemische Pro- zesse, verbunden mit subtraktivem Ätzen der zu strukturierenden Metallschichten.

Diese Verfahren weisen eine Reihe von Nachteilen technischer Art und auch in Be- zug auf die Kosten auf, und sie sind auch-was die Umwelt betrifft-nicht unproble- matisch, sodass nach neuen, besseren Verfahren gesucht wird.

In der Anmeldung PCT/CH01/00004 wird ein solches neues Verfahren beschrieben, bei dem der Prozess des Heiss-Prägens zur Strukturierung und gleichzeitig auch zur Erzeugung der Mikrolöcher eingesetzt wird. Dieser Prozess erlaubt nicht nur die sehr ökonomische Herstellung solcher Substrate, sondern ist auch geeignet, feinste Leiter- strukturen mit hoher Ausbeute sehr umweltschonend zu produzieren.

Für die Heissprägung von Substraten werden Prägewerkzeuge benötigt, welche als Matrizen ausgebildet sind und die meist feinen Strukturen beinhalten, welche dem Ausgangsprodukt beigebracht werden sollen. Solche sind als bspw. abgeformte, metallische, relativ dünne Platten vorhanden, welche die Strukturen in der Form von geeigneten Erhebungen aufweisen. Zur Ausbildung und zur Herstellung von solchen Prägewerkzeugen sei auf die schweizerische Patentantmeldung desselben Anmelders verwiesen, welche das gleiche Anmeldedatum wie die vorliegende Anmeldung trägt.

Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird, soweit sie sich auf die Ausbildung und Herstellung von Prägewerkzeugen bezieht, hier mit einbezogen. Solche Prägewerkzeuge werden auf heiz-und kühlbare Prägestempel montiert, wobei bei beidseitigem Prägen, die beiden Werkzeuge für die beiden Seiten exakt gegeneinander ausgerichtet werden müssen. Es ist wichtig, dass die Werkzeuge satt an den Pressstempeln anliegen, sodass der Wärmeübergang vom Stempel zum Werkzeug nicht inhomogen erfolgt.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Schnittbild durch eine derartige Anordnung. Man er- kennt die beiden Pressstempel 1, 3 mit den Pressplatten 5,7, die je eine genau kontrollierbare Heizung, sowie auch eine Kühlung aufweisen. Die Heizung wie auch die Kühlung sind durch runde Kanalöffnungen 9 angedeutet. Eine solche Anordnung ist für konventionelle Prägewerkzeuge im Prinzip schon bekannt.

Die Pressstempel 1, 3 weisen ferner noch je ein Prägewerkzeug 11,13 auf. Die Montage der Werkzeuge 11, 13-schematisch dargestellt sind hier neuartige Prägewerkzeuge-am Stempel kann durch eine stoffschlüssige Verbindung, wie z. B. durch Auflöten oder Aufkleben erfolgen, wobei diese Verfahren eine Demontage sehr erschweren. Zudem kann das Werkzeug formschlüssig durch die Verwendung von Schrauben. Klemmen etc. befestigt werden (in Fig. 1 nicht gezeigt). Dies bedingt aber, dass die Prägewerkzeuge relativ dick sind, da sonst deren mechanische Festigkeit nicht ausreichend ist. Für neuartige, dünnere Prägewerkzeuge würde die geringe Dicke der Werkzeuge das Anbringen von mechanischen Befestigungs- elementen verunmöglichen.

In der Figur ersichtlich sind noch Führungsmittel 15, durch die eine möglichst gute gegenseitige Ausrichtung der Prägewerkzeuge gewährleisten sollen.

Ein Nachteil der in Fig 1 gezeigten Anordnung ist der relativ lange Weg, den die Wärme von der Heizung bis in das Prägewerkzeug zurückzulegen hat. Damit ver- bunden ist eine relativ grosse thermische Masse, die jeweils aufgeheizt und wieder abgekühlt werden muss. Dies verursacht lange Zykluszeiten, die bis zu einer Stunde betragen können. Die Trägheit von Aufwärmen und Abkühlung wird noch verstärkt, wenn die Werkzeuge mit thermisch isolierenden Klebstoffen angebracht sind oder wenn die mechanische Verbindung nicht perfekt formschlüssig ist.

Ausserdem ist bei einer solchen Anordnung gemäss dem Stand der Technik das Werkzeug relativ dick (bspw. 4-8 mm dick), damit es die nötige mechanische Stabilität besitzt, die auch eine ebene, an dem Presstempel anliegende Oberfläche und damit die Formschlüssigkeit der Verbindung gewährleistet. Dies hat zur Folge, dass die Herstellung der Prägewerkzeuge relativ lange dauert, bspw. muss ein Plattierungsvorgang von mehreren Tagen in Kauf genommen werden.

Ausserdem sind die Anforderungen an die Flachheit des steifen Prägewerkzeuges ausserordentlich gross, da die beizubringenden Vertiefungen nur einige um bis einige Dutzend pm tief sind. Unebenheiten von bspw. 10 Am über eine Distanz von 10 cm können bspw. ein Prägewerkzeug bereits unbrauchbar machen.

Ein weiteres Problem besteht bei der exakten Ausrichtung der beiden Prägewerk- zeuge zueinander. Normalerweise wird die Registrierung durch eine Probeprägung festgestellt, die durch ein spezielles, an der Heissprägemaschine angebrachtes Mikroskop beurteilt wird. Auf Grund der Auswertung dieser Probeprägung wird eine Lagekorrektur eines Prägewerkzeuges vorgenommen. Dieses Verfahren ist aufwendig und erfordert oftmals mehrere Probedurchgänge.

Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Presstempel zur Verfügung zu stellen, welcher Nachteile bestehender Anordnungen überwinden, und welcher insbesondere ein rascheres und doch kontrolliertes Aufheizen und Abkühlen der Werkzeuge möglichen und damit auch eine wesentliche Verkürzung der Prozesszyklen erlauben. Die Prägewerkzeuge sollten relativ ökonomisch herstellbar sein. Sie sollen ausserdem vorzugsweise auch die gegenseitige Ausrichtung der Prägewerkzeuge erleichtern.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist.

Gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung zeichnet sich die Pressstempelanordnung im Wesentlichen dadurch aus, dass Prägewerkzeuge auf einen Presstempel mit Kühlungsmitteln angeordnet sind. Die Prägewerkzeuge selbst sind mit einer Heizung versehen. Diese kann bspw. aus mindestens zwei Stromanschlüssen bestehen, durch

welche über dem metallischen Prägewerkzeug eine Spannung angelegt werden kann, wodurch joulesche Wärme erzeugt wird.

Gemäss einem weiteren wichtigen Aspekt sind die Prägewerkzeuge als verhältnismässig dünne Metallfolien ausgebildet, welche mit einem weichen Presskissen hinterlegt ist. Diesem Aspekt liegt die Idee zu Grunde, einen möglichtst guten thermischen und mechanischen Kontakt zwischen Presstempel und Prägewerkzeug zu erreichen, indem letzteres relativ flexibel ausgebildet ist, und indem kleinere Unebenheiten der Folie durch das Presskissen ausgeglichen werden können.

Eine wichtige, der Erfindung zu Grunde liegende Idee ist also die Verwendung von dünnen Prägewerkzeugen, die nur mehr im Bereich zwischen 50 und 300 llm dick sind. Solche Werkzeuge können mit einem Verfahren hergestellt werden, wie es in der bereits erwähnten schweizerischen Patentanmeldung des gleichen Anmelders beschrieben ist. Die im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen (4-8 mm Dicke) geringe Dicke verkürzt den Plattierungsprozess von mehreren Tagen auf wenige Stunden, was nicht nur Kosten einspart, sondern auch die Durchlaufszeit für Prototypaufträge massiv verkürzt.

Bei beidseitigem Prägen und bei starren, d. h. dicken Werkzeugen, kommt der Ebenheit der Werkzeuge grösste Bedeutung zu. Da beim Aufplattieren von Hartnickel immer Spannungen in das abgeschiedene Material eingebaut werden, ist es sehr schwierig sehr ebene Werkzeuge herzustellen. Daher ist es äusserst vorteilhaft, die Werkzeuge dünn zu gestalten und sie gleichzeitig mit einem relativ weichen Presskissen zu hinterlegen, wodurch sich die Werkzeuge selbst den unterschiedlichen Druckverteilungen anpassen können. Dieses Presskissen, das man aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, wie z. B. Teflon, oder Silicon herstellen

kann, darf andererseits nicht zu dick sein, da ansonsten der Wärmedurchgang zu stark vermindert wird.

Das Fixieren des Werkzeugs durch Vakuum ist eine weitere Möglichkeit, die keinerlei stoffschlüssige Verbindung benötigt und damit auch ein einfaches Wechseln des Werkzeugs ermöglicht. Die Registrierung gegenüber dem anderen Werkzeug für die Rückseite kann immer noch über Registrierbolzen, oder einem weiter unten beschriebenen Verfahren erfolgen.

Um die Zykluszeit noch weiter zu verkürzen wurde ein Konzept entwickelt, das als Grundidee eine direkte Heizung des Prägewerkzeuges durch Stromdurchgang vor- sieht. Dabei werden die relativ dünnen, metallischen Prägewerkzeuge, welche bspw. im Wesentlichen aus Nickel bestehen elektrisch an ein Steuergerät angeschlossen, das die Stromstärke gemäss den gemessen Werten eines Temperaturfühlers regelt, und durch einen kontrollierten Stromdurchgang auf eine einzustellende Temperatur aufgeheizt.

Dazu muss das Prägewerkzeug gegenüber der Pressplatte elektrisch isoliert werden, was durch das oben bereits erwähnte Presskissen aus Teflon oder Silicon bewerk- stelligt werden kann.

Die Vorteile dieses Anordnung sind klar ersichtlich : - Die thermische Masse der Nickelfolie ist sehr klein, was schnelle Aufheiz-und Abkühlzeiten erlaubt. Die Pressplatte kann nur zum Kühlen verwendet werden.

- Die Temperaturverteilung ist homogener.

Es kann Energie eingespart werden.

Bedingt durch die nunmehr niedrige Temperatur (z. B. Raumtemperatur) der Pressplatten, können andere aktive Elemente in diese integriert werden. Gemäss einem ersten Beispiel werden Piezoelemente im Innern einer Pressplatte angeordnet.

Diese können einzeln angesteuert werden, was dazu führt, dass die Piezoelemente sich ausdehnen und die Pressplatte lokal verformen können. Gleichzeitig können diese Elemente dazu genutzt werden, die lokalen Druckspannungen zu messen, was zu einem selbstregulierenden, aktiven System führt. Misst ein Element eine geringere Druckspannung im Vergleich zu den übrigen Elementen, so muss man davon ausgehen, dass der Druck im Prägematerial ungleich-massig aufgebracht wird. Das Element kann dann durch Anlegen einer Spannung verlängert werden, was einer Erhöhung des lokalen Druckes gleichkommt. Wenn alle Elemente über eine entsprechende Steuerung gekoppelt werden, so ist damit eine sehr gleichmässige Druckverteilung erreichbar.

Gemäss einer speziellen Ausführungsform wird eine Pressplatte durch Schlitze in einzelne Elemente aufgeteilt. Andere Anordnungen der aktiven Piezoelemente die zur Verbiegungen, Verwindungen oder Verwölbungen der Pressplatten führen sind ebenfalls möglich.

Gleichzeitig können die Piezoelemente auch dazu verwendet werden, zusätzlich Energie in Form von Ultraschallenergie in das Prägegut einzubringen. Dadurch kann die Prägezeit weiter verkürzt und die Qualität verbessert werden.

Nach dem eigentlichen Heissprägen und Abkühlen des Prägeguts wird dieses vom Werkzeug separiert. Bei sehr feinen und tiefen Strukturen kann dies zu Problemen führen, indem Teile des Kunststoffs in diesen Strukturen haften bleiben. Dadurch entstehen einerseits Ausbrüche in der geprägten Struktur, andererseits verbleiben die Reste im Werkzeug, was ebenfalls nicht erwünscht ist. Die Anwendung von Ultraschall während der Separation erleichtert diesen heiklen Prozess und die Ausbeute, wie auch die Standzeit des Werkzeugs, wird erhöht.

Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Prägewerkzeug so ausgeformt, dass die exakte Ausrichtung der beiden Prägewerkzeuge einander sehr leicht fällt und gewissermassen automatisch geschieht. Dies bringt eine grosse Erleichterung im Vergleich zum vorstehend beschreiebenen Vorgehen gemäss dem Stand der Technik.

Auf einem Prägewerkzeug sind an mehreren Stellen spezielle Rasteranordnungen von kegel,-pyramiden-oder schneidenförmigen Spitzen vorgesehen, die auf dem anderen Prägewerkzeug ihre entsprechenden inversen Strukturen finden.

Legt man nun die beiden Werkzeuge aufeinander, so rasten diese Strukturen gegen- seitig ein und damit ist die Registrierung abgeschlossen. Dieses Sandwich von zwei zueinander genau ausgerichteten Prägewerkzeugen kann nun zwischen die Pressstempel geschoben werden. Wird die Presse leicht geschlossen und das Halte- Vakuum angeschaltet, so werden die beiden Hälften an die Pressstempel angesaugt und dort lagestabil gehalten.

Das Prägegut muss an den Registrierrastern ausgenommen sein, da es sonst an diesen Stellen ebenfalls zu Prägungen kommt, was naturgemäss nicht erwünscht ist.

Die Registrierraster werden mit den Prägewerkzeugen mitgefertigt und sind demnach optimal zum Prägemuster justiert. Diese kegelförmigen Raster sind auch nur mit Hilfe eines in der gleichzeitig eingereichten schweizerischen Patentanmeldung derselben Anmelderin herstellbar, da das herkömmliche Verfahren nur rechteckige Strukturen erlaubt.

Im Folgenden werden noch Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen etwas detaillierter beschrieben. In den Zeichnungen zeigt - Die Figur 1 ein Schnittbild einer Presstempelanordnung gemäss dem Stand der Technik, allerdings mit einem nur schematisch angedeuteten neuartigen Prägewerkzeug - die Figur 2 ein Schnittbild einer erfindungsgemässen Presstempelanordnung, - die Figur 3 ein Schnittbild einer Hälfte einer weiteren Presstempelanordnung, - die Figur 4a ein Schnittbild von zwei voneinander beabstandeten Prägewerkzeugen mit je einer Rasteranordnung von pyramidenförmigen Spitzen sowie und Figur 4b das Schnittbild von Figur 4a, wobei die Prägewerkzeuge aufeinander aufliegen und die Spitzen ineinander eingreifen.

In Fig. 2 ist eine Presstempelanordnung mit zwei Presstempeln 1, 3 und Pressplatten 5, 7 dargestellt, die je mindestens Kühlmittel aufweisen. Die Kühlmittel sind durch runde Kanalöffnungen 9 angedeutet. In solchen Kanalöffnungen kann bspw. eine Kühlflüssigkeit zirkulieren. Die Kühlmittel können aber ebenso gut irgendeine andere Ausprägung aufweisen. Die Werkzeuge 11,13 sind bspw. als neuartige Werkzeuge ausgebildet, deren Herstellung in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung derselben Anmelderin offenbart ist. Sie besitzen eine Dicke von 30 m bis 1 mm, bspw. zwischen 50 und 300 llm. Sie sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, bspw. aus Nickel, einer Nickellegierung oder aus einer Kombination von Schichten aus einer Nickellegierung mit Schichten aus einer Kupferlegierung oder aus irgendeinem andern Leitermaterial bzw. einer anderen Kombination von Leitermaterialien. Zwischen den Werkzeugen 11, 13 und den Pressplatten 5,7 befindet sich noch je eine dünne Schicht 15,17 von elektrisch isolierendem Material als Presskissen, bspw. in Form eines Teflonfilms ein Silikonfilms oder einer Schicht aus einem anderen wärmebeständigen Kunststoff.

Weiter dargestellt sind Stromversorgungsmittel 21, durch die zwischen Anschlüssen 23,25 über den Werkzeugen eine Spannung angelegt werden kann.

Im Betrieb werden die Pressplatten 5, 7 der Presstempel bspw. kontinuierlich und unterbruchlos gekühlt und auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten, bspw. ungefähr auf Raumtemperatur, auf der Kühlwassertemperatur oder auf der Verdampfungstemperatur eines verwendeten Kühlmittels beim im Kühlsystem herrschenden Druck. Wenn nun die Prägewerkzeuge auf eine für einen Verfahrensschritt im Heissprägeverfahren verwendete Temperatur aufgeheizt werden müssen, wird über den Werkzeugen so lange eine Spannung angelegt, bis diese durch die entstehende joulesche Wärme auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt sind.

Anschliessend wird die elektrisch erzeugte Wärmeleistung reduziert, so dass die Temperatur konstant gehalten wird und nur die an die Prägeplatten 5,7 abf liessende Wärme kompensiert wird. Zur Regelung kann noch ein Temperaturfühler oder

mehrere Temperaturfühler an den Werkzeugen 11,13 angebracht sein. Während des ganzen Vorgangs ist die Temperatur der Prägewerkzeuge höher als diejenige der Pressplatten 5,7 ; letztere ist allenfalls leicht erhöht gegenüber der Temperatur der Kühlmittel bzw. gegenüber der Temperatur, welche die Pressplatten aufweisen, wenn gar keine Heizung eingeschaltet ist.

Dadurch dass die Prägewerkzeuge 11,13 relativ dünn sind, ist ihr elektrischer Widerstand gross im Vergleich zum elektrischen Widerstand existierender Prägewerkzeuge. Dadurch wird das Aufheizen durch Stromdurchfluss je nach Material erst ermöglicht bzw. erleichtert, da für die benötigte Stromstärke nicht zentimeterdicke Zuleitungen benötigt werden und sich auch die elektrischen Kontakte dadurch nicht übermässig erwärmen.

Wenn die Werkzeuge abgekühlt werden sollen, wird einfach der Strom durch die Prägewerkzeuge ausgeschaltet. Die in den Werkzeugen gespeicherte Wärme fliesst dann in kurzer Zeit ab, da die Werkzeuge dünn sind und eine geringe Wärmekapazität aufweisen. Die Temperatur der Werkzeuge gleicht sich dadurch in kurzer Zeit derjenigen der Pressplatten 5,7 an.

Als Alternative zum obigen Vorgehen kann auch während der Phase, während der die Prägewerkzeuge 11, 13 warm sein müssen, die Kühlung der Pressplatten ausgeschaltet sein.

Die Ausführungsform der Figur 3 unterscheidet sich von derjenigen der Figur 2 dadurch, dass im Innern der Pressplatte 7 Piezoelemente 31 angeordnet sind. Die Piezoelemente 31 sind bspw. einzeln ansteuerbar, was in der Figur durch die individuellen Spannungsversorgungsmittel 33 angedeutet ist. Die Pressplatten sind

dann aus einem Material gefertigt und entsprechend dimensioniert, dass zumindest ihre zum Werkzeug hin weisende Fläche leicht mechanisch deformierbar ist.

Die Kühlmittel sind vorzugsweise in der Nähe der zum Werkzeug hin weisenden Fläche in die Pressplatte eingebracht oder an dieser angebracht.

In den Figuren 4a und 4b wurden aus Übersichtsgründen die Pressplatten weggelassen. Figur 4a zeigt zwei Prägewerkzeuge 41,43 mit je zwei Bereichen mit einer Rasterstruktur 41.1,41.2,43.1,43.2 von pyramidenförmigen Spitzen. Die je einander gegenüberliegenden Rasterstrukturen sind komplementär. Dadurch dass die Struktur sich gegen aussen verjüngende Spitzen aufweist, werden Führungsmittel gebildet. Wenn für den Prägevorgang die Werkzeuge aufeinander aufliegen, greifen die komplementären Strukturen ineinander ein und bewirken eine sehr effiziente und einfach bewerkstelligte laterale Ausrichtung der Werkzeuge.