sowie Leiterplattenelement

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leiterplattenelements, bei dem zunächst ein Bauelement aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bereitgestellt und dieses Bauelement mit einer elektrisch leitenden Folie an wenigstens einer Kontaktstelle kontaktiert wird, bevor anschließend eine Deckschicht auf die das Bauelement kontaktierende Seite der Folie aufgebracht wird.

Desweiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Leiterplattenelement mit zumindest einer elektrisch leitenden Folie, mit einer Deckschicht, die die Folie auf zumindest einer Seite abdeckt, und mit zumindest einem Bauelement aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, wobei das Bauelement an wenigstens einer Kontaktstelle mit der Folie in Kontakt ist und zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, in die Deckschicht eingebettet ist.

Der Trend zu immer kleineren und zugleich immer leistungsfähigeren elektronischen Geräten, wie zum Beispiel bei Smartphones oder Tablets, führt schon seit Jahren zu einer steigenden Integrationsdichte auf Leiterplatten.

Einen deutlichen Vorteil zeigen in dieser Hinsicht drahtbeschriebene Leiterplatten, bei denen Leitungsdrähte auf die Ober- und/oder Unterseite einer Kupferfolie aufgebracht werden. Nach dem Verpressen der Folie mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht, üblicherweise einem Prepreg aus einem Epoxidharz-Glasfasergewebe, befinden sich die Drähte im Inneren des Laminates, eingebettet in das Prepreg.

Durch diese beispielsweise in der WO 2008/055672 A1 beschriebene Drahtschreibetechnik lassen sich in Leiterplatten dreidimensionale Schaltungsgeometrien für extreme Packungsdichten realisieren. Wenngleich hierdurch viele technische Einschränkungen der herkömmlichen Leiterplattentechnik überwunden werden, sind drahtbeschriebene Leiterplatten hinsichtlich ihrer Delaminationsfestigkeit noch verbesserungsfähig.

Die Delamination von Leiterplattenelementen ist eine ernstzunehmende Herausforderung, zumal insbesondere mehrlagige Leiterplatten (Multilayer) immer größer werdenden thermischen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Haftwerte zwischen den einzelnen Lagen des Multilayers, also zwischen den einzelnen Kupferfolien und den jeweils zwischengefügten Prepreg-Schichten (Epoxidharz-Glasfasergewebe-Schichten), konnte dabei in den vergangenen Jahren durch eine vorgelagerte Behandlung der Oberfläche der Kupferfolien mit chemischen Mitteln („Braunoxid"- oder ,,Schwarzoxid"-Behandlung) und durch die Verwendung verbesserter Epoxidharzmischungen für Prepregs erheblich erhöht werden.

Die Einbettung zusätzlicher Bauelemente in die Prepreg-Schichten der Leiterplatte führt jedoch zu eine Erhöhung der Delaminationsgefahr, da sich die Delamination zunächst an den„Schwachstellen" zwischen den Oberflächen der eingebetteten Bauelemente und dem umgebenden Prepreg und nicht an der deutlich haftfesteren Verbindung zwischen der behandelten Kupferfolienoberfläche und dem Prepreg bemerkbar macht.

Insbesondere in drahtbeschriebenen Leiterplatten erfolgt durch die im Prepreg eingebetteten Leitungsdrähte eine Schwächung des Haftverbundes.

Verstärkt wird dieses Problem noch dadurch, dass die in das Innere der Leiterplatte zusätzlich eingebrachten Drähte als versilberte Kupferdrähte ausgeführt sein können. Zwar weist die auf den Kupferkern galvanisch aufgebrachte Silberschicht nicht nur eine sehr gute Leitfähigkeit auf, sondern ist insbesondere auch sehr gut schweißbar. Neben den wirtschaftlichen Nachteilen (versilberte Kupferdrähte sind um ein vielfaches teurer als reine Kupferdrähte) weist die Silberschicht jedoch aufgrund ihrer verhältnismäßig glatten Oberfläche nur eine sehr schlechte Haftung zu der sie umgebenden Schicht aus Prepreg auf.

Demzufolge ist es nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Leiterplattenelements bzw. ein Leiterplattenelement anzugeben, das eine ausgezeichnete Haftung zwischen den zusätzlich im Leiterplattenelement integrierten Bauelementen und der sie jeweils umgebenden Deckschicht ermöglicht, so dass keine Delaminierung des Leiterplattenelements im Bereich der in der Deckschicht eingebetteten Bauelemente stattfindet.

Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leiterplattenelements gelöst, bei dem die Oberfläche des Bauelements vor dem Aufbringen der Deckschicht zumindest teilweise aufgeraut wird, so dass beim Aufbringen der Deckschicht auf die Folie die Deckschicht mit der aufgerauten Oberfläche der Bauelements in Kontakt gebracht wird. Indem das im Leiterplattenelement eingebettete Bauelement anstatt einer vergleichsweise glatten Oberfläche, zum Beispiel anstatt einer glatten Silbermetall-Oberfläche, eine zumindest teilweise aufgeraute Oberfläche aufweist, wird eine deutlich bessere Haftung zwischen dem Bauelement und der das Bauelement umgebenden Deckschicht sichergestellt. Somit können problemlos Bauelemente in einen Multilayer integriert werden, ohne dass es ausgehend von einem Ablösen des Bauelements von der angrenzenden Deckschicht zu einer Delamination der Leiterplatte kommt. Somit eröffnen sich für Leiterplatten mit eingebetteten Bauelementen (unter anderem in Form von drahtbeschriebenen Leiterplatten) neue Einsatzgebiete, die aufgrund ihrer extremen Umgebungsbedingungen bisher als kaum realisierbar erschienen, zum Beispiel der Einsatz in Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise in der Automobilelektronik.

Bevorzugterweise erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren das Aufrauen der Oberfläche des Bauelements vor dem Kontaktieren des Bauelements mit der Folie. Die aufgeraute Bauelementoberfläche hat keinerlei negativen Einfluss auf die Güte der zwischen Bauelement und Folie (beispielsweise durch Widerstandsschweißen) herzustellenden Kontaktie- rung, so dass mit geringem Aufwand und bei hohem, kontinuierlichen Durchsatz die gesamte Oberfläche der Bauelemente einer vorgelagerten Aufrauungsbehandlung unterzogen werden kann.

Insbesondere kann das Aufrauen der Oberfläche des Bauelements durch chemisches Ätzen realisiert werden, wobei das chemische Ätzen vorzugsweise durch Eintauchen des Bauelements in eine das Material des Bauelements ätzende Flüssigkeit oder durch das Besprühen des Bauelements mit einer solchen Flüssigkeit erfolgt. Vor dem eigentlichen Mikroätzpro- zess werden die zu behandelnden Bauelemente gereinigt und deren Metalloberflächen dabei durch eine saure oder alkalische Lösung entfettet (Cleaner). Nach dem Mikroätzprozess, der beispielsweise in einem Flutmodul mit Schwalldüsen (Bond) durchgeführt werden kann, werden Restrückstände der ätzenden Flüssigkeit in einem Kaskaden-Spülmodul entfernt, bevor die Bauelemente schließlich fleckenfrei getrocknet werden.

Alternativ kann die Oberfläche des Bauelements auch durch mechanisches Bearbeiten, zum Beispiel durch Sandstrahlen oder durch das Aufsprühen von Bims- oder Quarzmehl unter hohem Druck, aufgeraut und so haftfähiger gemacht werden. Mechanische Aufrauverfahren haben den Vorteil, dass die Oberflächenrauigkeit allein durch mechanischen Abtrag hergestellt wird, so dass auf die Verwendung aggressiver Ätzlösungen, welche teuer in Anschaffung und Entsorgung sind, verzichtet werden kann. In weiter bevorzugter Weise erfolgt das Aufbringen einer Deckschicht auf die das Bauelement kontaktierende Seite der Folie durch Verpressen der Seite der Folie mit einem Prepreg aus Isolierstoffmasse. Das Verpressen geschieht in der Weise, dass die mit dem Bauelement bestückte Kupferfolie und das Prepreg (Epoxidharz-Glasfasergewebe-Zuschnitt) in eine Laminatpresse eingeführt und nach Druck- und Wärmeeinwirkung als verpresstes Endprodukt das Leiterplattenelement ausgestoßen wird, welches mit den etablierten Prozessen (Ätzprozess von au ßen und Bestücken mit SMD-Bauteilen) fertiggestellt werden kann.

Vorzugsweise werden eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Folien, von denen mindestens eine mit mindestens einem Bauelement aus einem elektrisch leitenden Werkstoff kontaktiert ist, und eine Mehrzahl von jeweils zwischen den Folien eingefügten Prepregs aus Isolierstoffmasse miteinander zu einem Multilayer-Leiterplattenelement verpresst. Insbesondere bei einer solchen Verpressung zum Multilayer muss zwischen jeder Schichtlage eine ausreichende interlaminare Haftung sichergestellt sein, da bereits einzelne lokale Abhebungen, wie sie durch im Prepreg eingebettete Bauelemente hervorgerufen werden können, zu einer Delamination und damit zum Totalausfall des Multilayer-Leiterplattenelements führen können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darüber hinaus gemäß Patentanspruch 8 durch ein Leiterplattenelement der eingangs genannten Art gelöst, bei dem zumindest ein Teil der mit der Deckschicht in Kontakt stehenden Oberfläche des Bauelements aufgeraut ist. Durch die mikrofeine Aufrauung der Bauelementoberfläche entsteht die ideale Oberflächentopographie für die optimale Haftung von Bauelement und umgebender Deckschicht, so dass die vom eingebetteten Bauelement ausgehende Gefahr der Delamination des Leiterplattenelements nahezu ausgeschlossen werden kann.

Bei dem auf die zu verpressende Folie, insbesondere Kupferfolie, aufgebrachten Bauelement kann es sich insbesondere um einen Leitungsdraht, insbesondere Kupferdraht, handeln, der nach dem Verpressen im Inneren des Leiterplattenelements angeordnet ist und über geätzte Pads von au ßen kontaktiert wird (sogenannte drahtbeschriebene Leiterplatten).

Das Bauelement kann jedoch auch als ein sich im Leiterplattenelement erstreckendes, plat- tenförmiges Formteil, insbesondere als Kupferformteil, ausgebildet sein, wobei mittels eines solchen Formteils beispielsweise die erforderlichen Leitungsquerschnitte zur Beherrschung der im Bereich der Leistungselektronik auftretenden Ströme und Wärmemengen aufwandsarm bereitgestellt werden können.

Die Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf zwei Figuren noch weiter erläutert. Es zeigen im Einzelnen:

Figur 1 a eine schematische Querschnittsansicht der Lagen eines Multi layer- Leiterplattenelements gemäß der Erfindung, wie sie im unverpressten Zustand aufeinanderliegen,

Figur 1 b eine schematische Querschnittsansicht eines Multilayer-Leiterplattenelements gemäß der Erfindung im verpressten Zustand.

In den Figuren 1 a und 1 b sind jeweils in Querschnittsansicht die einzelnen Materiallagen eines erfindungsgemäßen Leiterplattenelements 1 zur besseren Unterscheidung mit anderer Flächenfüllung dargestellt. Mit jeweils schräger Schraffierung sind die Bauelemente 2, 3 dargestellt, die in das Leiterplattenelement 1 eingebettet werden. Mit dunklem Vollton sind die Kupferfolien 4 gezeigt, während in hellem Vollton die Epoxidharz-Glasfasergewebe- Schichten 5, nachstehend allgemein Prepreg genannt, im Querschnitt zu sehen sind.

Die Bauelemente, bei denen es sich zum einen um drei kreiszylindrische Kupferdrähte 2 und zum anderen um ein plattenförmiges Kupferformteil 3, z. B. in Form eines Kupferflachdrahts, handelt, sind in einem vorgelagerten Verfahrensschritt jeweils auf die Seite 4a, 4b einer Kupferfolie 4 fixiert worden. Dieser in den Figuren nicht dargestellte Verfahrensschritt des Fixierens der Bauelemente 2, 3 an den Kupferfolien 4 wird mittels einer bereits in der WO 2006/077167 A2 beschriebenen, numerisch gesteuerten Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden durchgeführt, wobei das Verbinden vorzugsweise an definierten Kontaktstellen mittels Widerstandspunktschweißen erfolgt. Die Drähte 2 werden dabei aktiv nachgeführt, in einer definierten Sollposition niedergehalten, geschnitten und mittels einer ebenfalls kontrolliert verfahrbaren Schweißelektrode verschweißt.

Als Formteil 3 im Sinne dieser Erfindung wird vorzugsweise ein Bauteil bezeichnet, das in einem Trennverfahren hergestellt ist, in welchem die Form eines Werkstücks verändert wird, wobei das Formteil 3 von dem Werkstück abgetrennt wird und die Endform in der Ausgangsform enthalten ist. In den Figuren 1 a und 1 b ist die obere Kupferfolie 4 an ihrer Unterseite 4a mit einem aus einer Kupferplatte herausgetrennten, plattenförmigen Formteil 3 versehen, wobei Kupferfolie 4 und Formteil 3 ebenfalls an genau definierten Anschlussstellen durch ein stoffschlüssiges Verbindungsverfahren, wie zum Beispiel durch Widerstandspunktschweißen, miteinander kontaktiert worden sind.

In Figur 1 a ist die Querschnittsansicht eines Zwischenprodukts in dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Multilayer-Leiterplattenelements 1 zu sehen. Dieses Zwischenprodukt zeigt den Aufbau eines Schichtstapels 6 aus mehreren übereinander angeordneten elektrisch isolierenden Schichten aus Prepreg 5 und mehreren leitenden Schichten aus Kupferfolie 4, wobei diese Schichten nur zur besseren Veranschaulichung mit vertikalem Abstand voneinander dargestellt worden sind. Zwei der Kupferfolien 4 sind gemäß dem vorgeschilderten Verfahrensschritt auf einer Seite 4a, 4b mit zusätzlichen Bauelementen (Drähten 2 bzw. Formteil 3) bestückt worden, wobei diese beiden Kupferfolien 4 im Schichtstapel 6 so orientiert sind, dass die das Bauelement 2, 3 kontaktierende Folienseite 4a, 4b in das Innere des Schichtstapels 6 weist, so dass die Bauelemente 2, 3 nach dem Verpres- sen immer im Inneren des Leiterplattenelements 1 zu liegen kommen.

Der vorstehend beschriebene Schichtstapel 6 ist gemäß Figur 1 a zwischen die Pressplatten 7a, 7b einer Laminatpresse eingebracht, wobei anschließend gemäß Figur 1 b ein Druck (siehe aufeinander zu gerichtete Pfeile in Figuren 1 a und 1 b) mittels der Pressplatten 7a, 7b auf die miteinander zu laminierenden Schichten des Leiterplattenelements 1 aufgebracht und dabei gleichzeitig die Temperatur der zu laminierenden Schichten auf eine gewünschte Temperatur oberhalb der Raumtemperatur erhöht wird.

Es sei angemerkt, dass der durch den Übergang von Figur 1 a nach Figur 1 b illustrierte Pressvorgang in stark vereinfachter Weise wiedergegeben worden ist. Die Herstellung eines Multilayer-Leiterplattenelements 1 erfolgt in der Praxis nämlich mittels eines mehrstufigen Prozesses. Demnach werden zunächst die mittleren Lagen des Schichtstapels 6 mit zwischen einer unteren und einer oberen Kupferfolie 4 platzierten Schichten aus Prepreg 5 zu einem Zwischenprodukt verpresst. Daraufhin werden die äußeren Kupferfolien 4 dieses Zwischenprodukts in bekannter Weise zunächst von au ßen geätzt. Auf die geätzten Kupferfolien 4 werden weitere Schichten aus Prepreg 5 und abschließende Kupferfolien 4 aufgetragen. Dieser nicht dargestellte Stapel aus bereits verpresstem Zwischenprodukt und zusätzlichen äu ßeren Lagen wird schließlich zum fertigen Multilayer-Leiterplattenelement 1 gepresst.

Das jeweils zwischen die Kupferfolien 4 eingefügte Prepreg 5 besteht aus einem epoxidharzgetränkten Glasfasergewebe als Isolierstoffmasse, die unter der vorbeschriebenen Druck- und Wärmeeinwirkung plastifiziert wird und beim anschließenden Aushärten eine Verklebung mit den angrenzenden Kupferfolien 4 bewirkt. Das an der Unterseite 4a der oberen Kupferfolie 4 angebrachte, plattenförmige Formteil 3 wird beim Verpressen derart in die Isolierstoffmasse des Prepregs 5 eingebettet, dass alle Seiten des Formteils 3 vollflächig mit der Isolierstoffmasse des Prepregs 5 bedeckt sind. Allein die zwischen Formteil 3 und Kupferfolie 4 vorgesehene, mindestens eine Kontaktstelle ist nicht vom Prepreg 5 umschlossen. Die kreiszylindrischen Leitungsdrähte 2 werden beim Verpressen ebenfalls nahezu vollumfänglich in die Isolierstoffmasse des Prepregs 5 eingebettet. Auch hier ist allein die mindestens eine Kontaktstelle zwischen dem jeweiligen Draht 2 und der Kupferfolie 4 nicht vom Prepreg 5 bedeckt.

Für eine bessere Haftung zwischen Prepreg 5 und Kupferfolie 4 ist es bekannt, die Oberflächen der Kupferfolien 4 durch einen Oxidationsprozess („Braunoxid" bzw. „Schwarzoxid") vorzubehandeln, so dass beim anschließenden Verpressen gemäß Figur 1 b zum Multilayer- Leiterplattenelement 1 ein besserer Haftverbund zwischen den Kupferfolien 4 und den isolierenden Deckschichten 5 (Prepregs) gewährleistet werden kann. Das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute Leiterplattenelement 1 weist jedoch besondere Herausforderungen hinsichtlich der Delaminationsfestigkeit auf, da durch die zusätzlich in die Isolierstoffmasse des Prepregs 5 eingebetteten Bauelemente 2, 3 eine Schwächung des Haftverbundes des Leiterplattenelements 1 eintritt. Im Gegensatz zu den Kupferfolienoberflächen weisen die Bauelementoberflächen 2o, 3o nämlich nur eine sehr schwache Haftung an dem jeweils angrenzenden Prepreg 5 auf.

Der Grund dafür liegt unter anderem darin, dass in drahtbeschriebenen Leiterplatten (d. h. Leiterplatten, deren Kupferfolien 4 mit Drähten 2 verschweißt sind) zumeist galvanisch versilberte Kupferdrähte als eingebettete Bauelemente zum Einsatz gelangen. Die äußere Silberschicht dieser Drähte weist zwar sehr gute Schweißeigenschaften zur Erzielung einer sicheren Verbindung mit der Kupferfolie 4 auf, jedoch ist die Haftung der Silberschicht zum umgebenden Prepreg 5 bedingt durch die eher glatte Oberfläche der Silberschicht unzureichend. In der Folge kann es zu lokalen Abhebungen der Silberschicht des Bauelements vom umgebenden Prepreg 5 kommen, die im Extremfall zum Ausgangspunkt einer vollständigen Delamination und somit eines Totalausfalls des Leiterplattenelements 1 werden können.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an und beseitigt das Problem der schlechten Haftung von eingebettetem Bauelement 2, 3 und umgebender Schicht aus Prepreg 5 dadurch, dass die mit dem Prepreg 5 in Kontakt stehende Oberfläche 2o, 3o des Bauelements 2, 3 zumin- dest teilweise aufgeraut ist.„Aufgeraut" bedeutet hierbei, dass die Oberfläche 2o, 3o des Bauelements 2, 3 vor dem Aufbringen der Deckschicht 5 auf die Kupferfolie 4 und dem dabei erfolgenden Einbetten des Bauelements 2, 3 in diese Deckschicht 5 einer gezielten Auf- rauungsbehandlung unterzogen worden ist, um die Oberfläche 2o, 3o mit einer definierten Mikrorauigkeit zu versehen. Da diese Mikrorauigkeit keine wesentlichen Auswirkungen auf die Qualität der Schweißverbindungen zwischen Bauelementen 2, 3 und Kupferfolien 4 hat, können die Bauelemente 2, 3 bereits in ihrem Halbfertigzustand als Draht- oder Plattenware in großer Durchsatzgeschwindigkeit aufwandsarm vorbehandelt werden, bevor sie dem eigentlichen Leiterplattenherstellungsprozess zugeführt werden.

Die Aufrauungsbehandlung kann eine chemische Aufrauung sein, wobei die Bauelementoberfläche 2o, 3o in einem mehrstufigen Tauch- und /oder Sprühverfahren mit einer ätzenden Lösung in Berührung gebracht wird und das Oberflächenmaterial dabei teilweise weggeätzt wird, oder kann eine mechanische Aufrauung sein, wobei die Bauelementoberfläche 2o, 3o mechanischen Kräften unterzogen wird.

Die chemische Aufrauung erfolgt vorteilhafterweise in mehrstufigen Anlagen mit mehreren in Reihe geschalteten Modulen, wobei die Oberflächen 2o, 3o der kontinuierlich durch die Anlage geführten Bauelemente 2, 3 vor dem eigentlichen Mikroätzprozess zumeist noch gereinigt, gespült und vorgetaucht werden und nach dem Mikroätzprozess ein neuerliches Spülen zum Entfernen der ätzenden Lösungsrückstände stattfindet. Die mechanische Aufrauung kann zum Beispiel durch Verwendung einer dichten Masse winziger Kugeln aus zum Beispiel Stahl, Glas, Bims-, Quarzmehl oder ähnlichem oder über Bürstenaufrauungstechni- ken erzeugt werden. Ebenfalls denkbar wäre es, die Aufrauung durch das Einbringen einer einfachen Profilierung (z. B. von Kerbungen) in die Bauelementoberfläche 2o, 3o zu erzielen.

Durch die aufgeraute Oberfläche 2o, 3o des Bauelements 2, 3 erhält die das Bauelement 2, 3 kontaktierende Schicht des Prepregs 5 nach dem Verpressen und Aushärten eine entsprechende Rauheit, die komplementär zur Rauheit der Bauelementoberfläche 2o, 3o ausgebildet ist. Das Verhaken der ineinander verzahnten Rauigkeitsspitzen von Bauelementoberfläche 2o, 3o und angrenzender Schicht des Prepregs 5 erklärt die ausgezeichnete Haftung von Bauelement 2, 3 und Prepreg 5.

Durch die erfindungsgemäße Verbesserung können Bauelemente 2, 3 problemlos in die Innenlagen von Leiterplattenelementen 1 integriert werden, ohne dass Delaminationen oder Rissbildungen und damit Funktionsausfälle des Leiterplattenelements 1 befürchtet werden müssen. Dies gilt insbesondere auch für Hochtemperaturanwendungen, wie Automobilelektronik oder Solartechnik, wo die Verbindung zwischen der Oberfläche 2o, 3o des eingebetteten Bauelements 2, 3 und dem umgebenden Prepreg 5 aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Materialien immer wiederkehrenden starken Belastungen ausgesetzt wird.

Die vorliegende Erfindung trägt somit zum einen zu einer weiteren Erhöhung der Integrationsdichte von Bauelementen 2, 3 in Leiterplattenelementen 1 bei und vergrößert zum anderen das Einsatzspektrum solcher Leiterplattenelemente 1 bis hin zu Hochtemperaturanwendungen.