Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten mit bestückten Bauelementen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten mit mindestens einem bestuckten elektronischen Bauteil mit zwei oder mehr Kontakten, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von RFID-Etiketten

Ein RFID-Etikett besteht aus einer Tragerfolie, einer Antennenstruktur und einem mit der Antenne verbundenen Chip Die gesamte Anordnung ist auf einem Tragersubstrat vorgesehen Em RFID- Etikett der genannten Art ist beispielsweise aus der US 7,102,520 B2 bekannt Dort ist eine solche Anordnung beschrieben, bei der auf einer Seite des Chips eine umlaufende, mehrlagige Antennenstruktur vorgesehen ist, die mit einem Chip in Verbindung steht Um die Dicke der gesamten Anordnung zu reduzieren, ist der Chip in einer Vertiefung angeordnet

Ein weiteres gattungsgemaßes RFID-Etikett ist aus der WO 2006/057820 bekannt Auch hier ist ein Substrat vorgesehen, der die Antennenstruktur bildet und auf dem ein Chip leitend angeordnet ist

Zur Herstellung solcher RFID-Etiketten sind bisher zahlreiche unterschiedliche Verfahren bekannt Zum einen ist es bekannt, zunächst separat die Antennen herzustellen, wobei in vielen Fallen ein Siebdruck mit metallischen Pasten, Silberpasten etwa, erfolgt Weiterhin sind hierfür Atzprozesse bekannt, bei denen Folienlaminate (PET/Kupfer) mit einem Atzresist bedruckt werden, anschließend die Feinstrukturen weggeatzt werden und somit das Negativ stehen bleibt Ebenfalls zur Herstellung solcher Antennenanordnungen mögliche Sputter-Prozesse werden bislang kaum eingesetzt, da die notwendige Dicke der zu erzielenden Leiterbahnen der Antenne im Bereich von 5 bis 30 μm liegt Diese Schichtdicken sind mit der Sputter-Technologie nicht wirtschaftlich zu erzielen

Für die nachfolgende separate Chip-Kontaktierung sind ebenfalls verschiedene Verfahren bekannt Beim „Pick-and-place" wird mittels optischer Erkennung die Position für den Chip auf der bereits hergestellten Antenne detektiert und der Chip positioniert und aufgesetzt Anschließend wird der elektrische Kontakt mittels Klebe- oder Lotverfahren hergestellt Da sich die „Pick-and-place"- Technologie für die immer kleiner werdenden Chips als zunehmend problematisch erwiesen hat, wird versucht, die Kontaktierungsflachen an diesen miniaturisierten Chips zu vergrößern Insbesondere UHF-Chips werden von den Herstellern in Form von Straps als Rollenmaterial geliefert Dabei sind Kontaktpads am Chip angebracht, die auch eine Rolle-zu-Rolle-Verarbeιtung etwa auf Druckmaschinen erlauben

Insgesamt sind die bekannten Verfahren zur Herstellung der eingangs genannten RFID-Chips kompliziert und weisen eine Reihe von Nachteilen auf Ein erster Nachteil besteht dann, dass bisher

die Herstellung der Antennenstruktur und die Chip-Kontaktierυng als separate, nacheinander ablaufende Arbeitsschritte erfolgen

Bei der Antennenherstellung besteht insbesondere bei den häufig verwendeten Siebdruckpasten der

Nachteil, dass Losemittel oder Polymere in den Pasten enthalten sind, was die elektrische

Leitfähigkeit der aufgebrachten Antennenstruktur beeinträchtigt Außerdem neigen derartige

Antennenstrukturen oder Leiterbahnen generell zu Oxidation und Alterung

Bei den ebenfalls häufig verwendeten Sputter-Verfahren können zwar sehr reine metallische

Schichten abgeschieden werden, Schichtdicken über 1 μm, die für die Antennenstruktur erforderlich sind, können aber nur sehr aufwandig erzeugt werden

Bei der nachfolgenden separaten Kontaktierung des elektronischen Bauteiles bzw der elektronischen Bauteile ist die Positioniergeschwindigkeit begrenzt und eine hohe Positionierungsgenauigkeit nur mit großem technologischen Aufwand erreichbar

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Technologien zu vermeiden und ein einheitliches Verfahren sowohl zur Herstellung von Leiterbahnen, d h leitenden geometrischen Strukturen, beispielsweise bei RFIDs der Antennenstruktur, als auch der elektrischen Verbindung des Bauteils bzw der Bauteile mit dieser anzugeben, bei dem bei hohen Beschichtungsrat ^p n fein strukturierte, rein metallische Strukturen in der erforderlichen Schichtstarke von 1 bis 100 μm auf temperaturempfindlichen Substraten erzeugt werden können

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelost Die Unteranspruche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfmdungsgemaßen Verfahrens

Nach einem Merkmal des erfmdungsgemaßen Verfahrens wird vor der Maskierung das spater mit der noch herzustellenden Leiter- bzw Antennenstruktur zu kontaktierende Bauteil auf dem Substrat fixiert Nach einem weiteren Merkmal wird nachfolgend eine Negativmaskierung der zu erzeugenden Leiter- bzw Antenneπstruktur aufgedruckt Die dabei verwendeten Druckfarben sind insbesondere unvernetzt, d h es können Ole, Wachse und kurzkettige Polymere verwendet werden Nach einem weiteren Merkmal wird nachfolgend auf diese Negativ-Maskierung eine vollflachige Metallschicht auf der gesamten Oberflache des Substrates mit einem Plasmabeschichtungsverfahren aufgebracht Zur Plasmabeschichtung eignen sich besonders Plasma-Barπereentladungen, bei denen ein kaltes Plasma erzeugt wird, das die temperaturempfindliche Substratoberflache nicht schadigt Gleichzeitig mit der Leiter- bzw Antennenherstellung werden beim erfmdungsgemaßen Verfahren auch die Kontakte des Bauteils bzw Chips ubermetallisiert und somit angebunden Anschließend wird beim erfmdungsgemaßen Verfahren mit einem sogenannten „Slug-Puller" die Negativ-Maske einschließlich der darauf liegenden Metallschicht abgelost und entfernt Dies erfolgt besonders vorteilhaft durch Peeling Es verbleiben damit nur die Metallstrukturen, die direkt am

Substrat Haftung aufgebaut haben, d h die Leiter- bzw Antennenstruktur Auf dieser Leiter- bzw Antennenstruktur verbleibt ebenfalls das bereits fertig kontaktierte Bauteil

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Verfahren auch für die Herstellung von leitenden Strukturen auf beiden Seiten des Substrates verwendet werden, indem das Substrat gedreht wird und die entsprechenden Verfahrensschritte oder Teile davon analog wiederholt werden

Auf besonders vorteilhafte Weise ist es beim erfindungsgemaßen Verfahren auch möglich, durch Kontaktierungen durch das Substrat hindurch, d h von einer Seite auf die andere, durch den Plasmastrahl, der die metallischen Bestandteile aufweist, elektrisch leitfahige Verbindungen zwischen den beiden Seiten herzustellen Dies ist besonders bei der Herstellung von HF-RFID sinnvoll, da hier die Antenne aus einer Spule besteht, deren äußerer Kontakt mit dem inneren Kontakt wieder verbunden werden muss, um den Stromkreis zu schließen

Insgesamt weist das erfindungsgemaße Verfahren eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf Eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Leiter- bzw Antennenstruktur ist erzielbar, je nach Kontaktart und Substrat sind zahlreiche Metalle wie Kupfer, Aluminium, Zink, Nickel, Zinn und Legierungen davon frei wahlbar Weiterhin ermöglicht das Vprfahr ^p n hnhe Sch'C^td'C^e" der erzeugten leitenden Strukturen, wobei auch 3-D-Konturen und Durchkontaktierungen möglich sind Weiterhin ermöglicht das Verfahren, wie bereits weiter oben erläutert, gleichzeitig auch die Kontaktierung von Bauteilen bzw Chips Insgesamt ist damit eine hohe Produktionsgeschwindigkeit bei niedrigen Kosten erreichbar

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen am Beispiel der Herstellung von RFID- Etikeüen naher erläutert werden, sie ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschrankt Es zeigen

Figur 1 ein erfindungsgemaßes Verfahren in schematischer Darstellung der nacheinander ablaufenden einzelnen Verfahrensschritte

Figur 2 ein Substrat, a) nach der Befestigung des Chips und b) nach der anschließenden

Negativ-Maskierung

Figur 3 wieder dieses Substrat a) beim Aufbringen der nachfolgenden Metallschicht mittels

Plasmabeschichtung, b) nach dieser vollflachigen metallischen Beschichtung und c) in seitlicher Schnittdarstellung

Figur 4 dieses Substrat a) vor der Ablösung der nicht erforderlichen Metalloberflache, b) nach dem Ablosen mittels Slug-Puller, hier gezeigt beispielsweise als Peeling-Verfahren

und c) das fertige Ergebnis, nämlich die erzeugte Antennenstruktur mit kontaktiertem Chip

Figur 5 einen solchen Chip a) mit Durchkontaktierung und einer Struktur auch auf der

Ruckseite, b) in diagonaler Schnittdarstellung und c) ein Detail daraus

Figur 6 ein weiteres Substrat mit einem anderen Chip mit abweichender Kontaktanordnung

Figur 7 eine zur Plasmabeschichtung besonders geeignete Plasmavorrichtung, die mit einer dielektrisch behinderten Barnerenentladung arbeitet und ein kaltes, für das Substrat besonders schonendes Plasma erzeugt

In Figur 1 ist das erfindungsgemaße Verfahren dargestellt Es wird ausgegangen von einem Substrat, auf dem zunächst ein elektronisches Bauteil mit mindestens zwei räumlich getrennten Kontakten auf einer Seite A befestigt wird Dies ist der bereits angesprochene Chip des RFID

Nachfolgend wird eine Negativ-Maskierung dieser Seite vorgenommen

Wiederum nachfolgend erfolgt eine Metallbeschichtung dieser Seite mittels Plasmabeschichtung

AnsrhlipRpnd wird riπrrh ^p m ^p n Siug-P'jHe ¹ ", "Q ^r zugs™'e'se e ^{in |} - ^| a ^f t ¹ ' ¹ ebeb2 ^r !d, d'eεe vollständig beschichtete Seite A behandelt, wobei sich die Negativ-Maske einschließend der darauf liegenden

Metallschicht ablost und entfernt wird Dies erfolgt besonders vorteilhaft durch Peelen, wobei das

Haftklebeband auf der Substratoberflache abgerollt wird

Im Ergebnis verbleiben nur die Metallstrukturen, die direkt am Substrat Haftung aufgebaut haben, an diesem Substrat - dies ist die Positiv-Struktur der gewünschten Antenne

Soll auch eine Struktur auf der Substratruckseite erzeugt werden, um beispielsweise einen HF-RFID zu erzeugen, werden die Schritte von der Negativ-Maskierung bis zur Ablösung mittels Slug-Puller nach Drehen des Substrats auf dessen Ruckseite wiederholt

Es wurde bereits erläutert, dass durch das erfindungsgemaße Aufbringen der Metalischicht durch

Plasmabeschichtung auch Durchkontaktierungen von der einen Seite zur anderen Seite des

Substrates möglich sind

Figur 2 a) zeigt ein Substrat 1 , auf dem ein RFID-Chip 2 mit Kontakt-Pads 3 befestigt ist Die Befestigung erfolgt - dies ist in der Schnittdarstellung darunter gezeigt - durch eine Klebstoffschicht 4 auf dem Substrat 5

Figur 2 b) zeigt diesen Chip nach der Negativ-Maskierung Negativ-Maskierung heißt, dass die nicht bedruckte Antennenstruktur 6, die spater als metallische Bahn erzeugt werden soll, frei bleibt Hier ist eine Durchkontaktierung 7 gezeigt, die spater eine elektrische Verbindung zu einem Ruckseitenkontakt 10 auf der Ruckseite des Chips darstellen wird Ebenfalls gezeigt ist die bedruckte Negativ-Struktur 8 einschließlich des mituberdruckten Chip-Bereiches 9

Die darunter gezeigte Schnittdarstellung 2 c) zeigt noch einmal den Zusammenhang zwischen der bedruckten Negativstruktur 8 und den freien Strukturen 11

Als Maskierungsmateπal wird Material mit einer geringen inneren Festigkeit verwendet Dies können z B Ole, Wachse oder noch unvernetzte kurzkettige Polymere sein Es eignen sich auch Maskierungsmateπalien, die spröde sind und beim Anlegen von Biegeschalkraften brechen, wie etwa getrocknete Salze

Figur 3 a) zeigt das nachfolgende Aufbringen einer vollflachigen Metallschicht auf dem Substrat 5 Es ist zu sehen, dass diese abgeschiedene Metallschicht 21 vollflachig die gesamte Oberflache einschließlich der Struktur in der Maske 22 und auch den aufgebrachten Chip überdeckt Auf die hier nur andeutungsweise dargestellte Plasmaeinrichtung 20 wird spater noch naher eingegangen

Figur 3 b) zeigt noch einmal von oben die vollflachig abgeschiedene Metallschicht 21 auf der bedruckten Negativ-Struktur 8

Figur 3 c) zeigt eben dies in seitlicher Schnittdarstellung

Die Haftungskrafte sind beim erfindungsgemaßen Verfahren durch geeignete Mateπalwahl so einzustellen, dass die Plasmabeschichtung, die unmittelbar auf dem Substrat aufgebracht ist, eine stärkere Haftung zum Substrat selbst als zum nachfolgend in Verbindung mit Figur 4 beschriebenen

Slug-Puller aufweist

Figur 4 a) zeigt das Aufbringen eines Slug-Pullers, hier Haftklebebandes 30 mit Haftklebstoff 31 in Anpressrichtung 32 auf die vollflachige metallische Beschichtung

Figur 4 b) zeigt das Ablosen Das Haftklebeband 30 wird über eine Andruckrolle mit einem definierten Anpressdruck und mit der Haftseite hin zum Substrat auf dieses Substrat aufgepresst Durch die räumliche Umlenkung des Haftklebebandes entstehen Kräfte senkrecht zum Substrat, die zur partiellen Ablösung der Beschichtung fuhren Da die Haftkraft des Haftklebebandes hier geringer ist als die Haftung der Beschichtung der metallischen Beschichtung direkt auf dem Substrat werden diese Bereiche der leitenden Beschichtung nicht abgelost Hingegen werden die Bereiche der Negativ-Maskierung am Haftklebeband gebunden, d h von diesem abgelost, da, wie weiter oben erläutert, die inneren Haftungskrafte des Maskierungsmateπals geringer sind als die Haftkraft des Haftklebebandes Es ist zu sehen, dass am Haftklebeband 30 die abgelöste Metallschicht 33 einschließlich der Hohlräume 34 in der abgelösten Maskierung verbleibt Auf dem Substrat 5 bleibt der Chip 36 sowohl die positive, direkt am Substrat haftende Metallstruktur 37 Figur 4 c) zeigt den fertigen, hier beidseitig behandelten, RFID-Chip Auf einem Substrat 1 ist eine Antennenstruktur 40 metallisch ausgebildet, die eine Durchkontaktierung 39 zu einer Ruckseitenbrucke 10 aufweist und auf der, nach Entfernung der Maskierung, ein Chip 38 befestigt und kontaktiert ist

Durch die Wahl der geeigneten Materialien ist verfahrensmaßig sichergestellt, dass nur die vorher maskierten Bereiche einschließlich der darauf aufliegenden Beschichtung am Haftklebeband haften bleiben und mit diesem entfernt werden

Figur 5 a) zeigt noch einmal einen solchen Chip, hier mit einer äußeren Durchkontaktierung 50 und einer inneren, rückwärtigen Durchkontaktierung 51 , die mittels einer Ruckseitenbrucke 52 elektrisch leitend miteinander verbunden sind

Figur 5 b) zeigt in diagonaler Schnittdarstellung noch einmal diesen Aufbau auf beiden Seiten des Substrats sowie die Antennenstruktur 53 auf dessen Oberseite

Figur 5 c) zeigt eine Detailerstellung auf Figur 5 b) Hier ist zu sehen, dass eine Durchkontaktierung 54 aus einem Durchgangsloch 55 besteht, das eine Innenseitenmetallisierung 56 aufweist, die durch die vorangehende Metallbeschichtung mittels Plasmabeschichtung erzeugt worden ist Eine Ruckseitenbrucke 57 stellt die elektrisch leitende Verbindung auf der unteren Seite des Chips her Es soll hier nicht unerwähnt bleiben, dass ein gewisser Mindestdurchmesser des Durchgangsloches 55 notwendig ist, um mit Sicherheit ein Durchkontaktieren, d h eine vollständige Innenseitenmetallisierung 56 zu erreichen

Figur 6 zeigt eine vergleichbare RFID-Anordnung, wiederum mit einer Antennenstruktur 68 Abweichend von der bisherigen Darstellung weist der Chip hier separate Kontakte auf, von denen ein Kontakt 67 gezeigt ist, der an die Antennenstruktur 68 elektrisch angebunden ist

Figur 7 schließlich zeigt eine besonders geeignete Plasmavorrichtung 20 zur erfindungsgemaßen Metallbeschichtung nach der Negativ-Maskierung Eine solche Plasmavorrichtung wird von der Anmeldeπn unter der Bezeichnung Plasmabrush® hergestellt und vertrieben Sie weist eine äußere Elektrode 70 und eine innere, zentrale Elektrode 71 auf, die durch eine rohrformige dielektrische Barriere 72 derart voneinander getrennt sind, dass ein konzentrischer Aufbau entsteht Zwischen äußerer Elektrode 70 und innerer Elektrode 71 wird mittels Spannungsquelle 69 eine Wechselspannung angelegt In der Folge wird ein homogenes, kaltes Plasma erzeugt, dem pulverformige, leitfahige und schmelzbare Partikel zugeführt werden Dieses Gemisch wird vollflachig auf die Substratoberflache 1 aufgebracht und ergibt die erläuterte metallische Beschichtung im gewünschten Dickebereich

Prinzipiell lassen sich für die Plasmabeschichtung auch andere Plasmavorrichtungen anwenden, beispielweise solche, bei denen eine direkte Bogenentladung erzeugt wird Jedoch ist zu beachten, dass durch direkte Bogenentladung erzeugte Plasmen eine deutlich höhere Temperatur aufweisen, was bei empfindlichen Substraten problematisch sein kann

Bezugszeichenaufstellung