Beschreibung

Titel

Verfahren zum Heißprägen mindestens einer Leiterbahn auf ein Substrat sowie Substrat mit mindestens einer Leiterbahn

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heißprägen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Substrat gemäß Anspruch 12.

Das Heißprägen von Leiterbahnen auf, insbesondere aus einem Polymermaterial ■ ausgebildete, Substrate ^■ stellt _. eine umweltfreundliche Möglichkeit ^' zur ^" Herstellung von Leiterbahnen dar. Bei bekannten Heißprägeverfahren wird zunächst das Substrat mit der gewünschten Mikrostruktur, beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens, hergestellt- Daraufhin wird das Substrat zusammen mit einer auf dieses aufgelegte Metallfolie in eine Presse gelegt, woraufhin die Leiterbahnen unter Anwendung von Druck und Temperatur mittels eines strukturierten Prägestempels als vertiefte Strukturen geprägt werden. Die Res.tfolie auf einer erhabenen Strukturebene des Substrats wird nach dem Prägeprozess von dem Substrat wieder abgezogen. Der Abziehprozfess ist äußerst kritisch. Der Erfolg des Abziehprozesses ist im Wesentlichen abhängig von der Reißfestigkeit der Metallfolie. Nicht abgezogene Folienreste können zu Kurzschlüssen zwischen den Leiterbahnen führen. Beim Abziehprozess können insbesondere dann, wenn der Prägedruck nicht ausreichend groß war, die eigentlichen, von der erhabenen Strukturebene beabstandeten, abgesetzten Leiterbahnen mit abgezogen oder

beschädigt werden. Beim Abziehprozess darf also einerseits die (.erhabene) , abzuziehende Restfolie nicht zu stark an das Substrat angedrückt werden, was zur Folge hat, dass auch die abgesetzten, tiefer gelegenen Leiterbahnen nur mit dieser Maximalkraft aufgebracht werden. Andererseits muss die Prägekraft jedoch ausreichend groß gewählt werden, um zu gewährleisten, dass die Leiterbahnen nach dem Abziehprozess der Restfolie ausreichend stark an dem Substrat anhaften.

Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist weiterhin, dass die Leiterbahnen ausschließlich in einer abgesetzten Strukturebene eingebracht werden können. Dies führt dazu, dass das Festlegen von Halbleiterchips auf den Leiterbahnen mittels eines Klebe-FlipChip-Verfahrens nur möglich ist, wenn die Höhendifferenz zwischen den Leiterbahnen und der erhabenen Strukturebene die Höhe der Bumps unterschreitet . Bei Gold-Stud-Bumps beträgt diese Höhe etwa 50 μm. Dies ist technologisch schwer erzielbar, da bei derartig geringen Prägetiefen aufgrund einer Mindestdicke der zum Einsatz kommenden Metallfolie praktisch keine Stanzung der Metallfolie möglich ist und somit keine Leiterbahnen auf dem Substrat stehen bleiben können. Auch für einen Löt- FlipChip-Prozess sind bekannte Substrate mit eingeprägten Leiterbahnen nur bedingt einsetzbar, da die Lot-Bumps kugelförmig sind und somit für schmale Leiterbahnen nur geringe Prägetiefen akzeptabel wären. ^'

Offenbarung der Erfindung Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives, zuverlässigeres Verfahren zum Heißprägen mindestens einer

Leiterbahn auf ein insbesondere aus Kunststoff bestehendes Substrat vorzuschlagen. Bevorzugt sollen die mit einem derartigen Verfahren mit mindestens einer Leiterbahn versehenen Substrate für das Aufbringen von Halbleiterbauelementen mittels eines FlipChip-Verfahrens geeignet sein. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein entsprechend optimiertes Substrat mit mindestens einer aufgeprägten Leiterbahn herzustellen.

Technische Lösung

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Substrates mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen rein verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die auf das Substrat mittels eines Prägestempels aufgeprägte, mindestens eine elektrisch leitende Schicht aufweisende, einschichtige oder mehrschichtige Folie nach Beendigung des Prägevorgangs in mindestens zwei beabstandeten Strukturebenen auf dem Substrat zu belassen. Anders ausgedrückt besteht der Kerngedanke der Erfindung darin, auf ein Abziehen der Folie nach dem Prägevorgang (Druck + Temperatur) in mindestens einer erhabenen Strukturebene,

zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig zu verzichten. Das nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Verfahren führt zu einem Substrat, bei dem in mindestens zwei in Stempelrichtung (Prägerichtung) beabstandeten Strukturebenen elektrisch leitende Folie verbleibt. Hierdurch ist es möglich, die nicht abgezogene, in der erhabenen Strukturebene verbleibende, auf das Substrat aufgeprägte Folie als mindestens eine Leiterbahn zu verwenden. Aufgrund der erhabenen Anordnung dieser Leiterbahn ist die Anwendung von FlipChip-Verfahren zum Festlegen von Halbleiterbauelementen problemlos möglich, da keine Höhenunterschiede überwunden werden müssen. Zusätzlich oder alternativ zu der Verwendung der in der erhabenen Strukturebene angeordneten Folie ist es möglich, die Folie in mindestens einer zu der erhabenen Strukturebene abgesetzten Strukturebene befindliche Folie als mindestens eine Leiterbahn einzusetzen. Bei einer entsprechenden Strukturierung des Substrates und/oder des Prägestempels ist es sogar denkbar, die Folie in mehr als zwei Strukturebenen mittels eines Heißprägevorgangs auf das Substrat aufzubringen, wobei es weiterhin realisierbar ist, sämtliche, in unterschiedlichen Strukturebenen aufgeprägte, Folien (-abschnitte) als jeweils mindestens eine Leiterbahn zu nutzen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Verfahrens besteht darin, dass die Haftfestigkeit der Leiterbahnen auf dem Substrat ohne Rücksicht auf einen Abziehprozess eingestellt werden kann. Die Temperatur und der Druck beim Prägeprozess können also im Hinblick auf eine optimale Haftung der Folie auf dem Substrat optimiert werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, mindestens eine Leiterbahn auf ein bereits vorstrukturiertes Substrat als auch mindestens eine Leiterbahn auf ein noch nicht strukturiertes, während des

Heißprägens (mikro) zu strukturierendes, Substrat aufzubringen.

Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der vollständig auf ein Abziehen der auf das Substrat aufgeprägten Folie nach dem Prägevorgang verzichtet wird.

Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der der Abstand zwischen den mindestens zwei, jeweils mit aufzuprägender Folie zu versehenen, Strukturebenen so groß gewählt wird, dass die auf das Substrat aufgeprägte {n)

Folie (n) in _. den beiden Strukturebenen elektrisch voneinander isoliert sind/ist. Der Abstand ist also so groß zu wählen, dass die Folie in der niedrig gelegenen

Strukturebene von der Folie in der ^■ erhöht liegenden

Strukturebene beim Prägevorgang abgeschert wird.

Von. besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der eine Folie eingesetzt wird, bei der die elektrisch leitende Schicht von einer Metallschicht, beispielsweise einer Aluminiumschicht, einer Kupferschient oder einer Goldschicht gebildet ist.

Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die zum Einsatz .kommende Folie, auf der dem Substrat zugewandten Seite, mit mindestens einer Haftschicht, beispielsweise einer ^■ Kunststofffolie oder einer Klebstoffschicht, versehen ist. Alternativ ist es denkbar, eine vergleichsweise mechanisch stark aufgeraute Schicht einzusetzen, um die Haftwirkung zu verbessern, unmittelbar auf die elektrisch leitende Schicht oder die mechanisch aufgeraute Schicht kann eine zusätzliche Haftschicht,

beispielsweise aus Schwarzoxid, oder eine dendritisch behandelte Schicht aufgebracht werden, wodurch eine stärkere mechanische Verzahnung mit der angeschmolzenen Substratoberfläche erreicht wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass, insbesondere auf der dem Substrat abgewandten Seite der Folie, mindestens eine Veredelungsschicht vorgesehen ist. Diese kann beispielsweise aus Zinn ausgebildet sein. Die Veredelungsschicht dient je nach Beschaffenheit dazu, Korrosionserscheinungen vorzubeugen oder um die Lötbarkeit und/oder die Drahtbondbarkeit und/oder die FlipChipbarkeit zu verbessern. Ein weiterer Vorteil des Vorsehens einer Veredelungsschicht auf • der ^■ Folie besteht darin, dass gegebenenfalls nur die Folie, nicht ^' aber das gesamte, unter Umständen empfindliche Substrat, einen entsprechenden, beispielsweise galvanischen, Veredelungsprozess durchlaufen muss.

Der zum Einsatz kommende Prägestempel und gegebenenfalls auch eine Vorrichtung zum Ausrichten des Prägestempels relativ zu dem Substrat kann beispielsweise aus Messing, Stahl oder Keramik ausgebildet sein. In jedem Fall sollte zumindest die Stempelfläche des Prägestempels aus einem Werkzeugmaterial sein, das härter ist als die zum Einsatz kommende Folie, um den Verschleiß des Prägestempels zu minimieren.

Bei dem eingangs beschriebenen aus dem Stand der Technik bekannten Heißprägeverfahren ist es ferner von Nachteil, dass dieses nur auf einzelne Substrate angewendet werden kann, da das Problem besteht, dass falls eine gemeinsame Folie auf mehrere Substrate gleichzeitig aufgelegt würde,

sich diese beim Prägeprozess stark verschieben und Falten werfen würde. Um dieses Problem zu umgehen und um ^' eine gleichzeitige, d.h. parallele Fertigung, d.h. Heißprägung mehrerer Substrate mit einer gemeinsamen Folie, zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, die Folie vor und/oder während des Prägevorgangs, zumindest abschnittsweise, auf das mindestens eine, vorzugsweise auf sämtliche zu prägenden Substrate laminiert, d.h. vorfixiert, wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Folie über das mindestens eine, vorzugsweise über mehrere Substrate vor und/oder während des gemeinsamen Prägevorgangs, beispielsweise mittels eines Spannrahmens, gespannt werden. Diese hier beschriebenen Lösungen sollen als eigenständige Erfindung offenbart gelten und alleine oder in Kombination mit mindestens einem weiteren in der Anmeldung offenbarten Merkmal beanspruchbar sein, unabhängig davon, ob die Folie nach dem Prägevorgang abgezogen wird oder vorzugsweise (vollständig) auf dem Substrat in mehreren in Stempelrichtung voneinander beabstandeten Strukturebenen verbleibt .

Von besonderem Vorteil ist es (insbesondere nach vorheriger Vorfixierung und/oder vorherigem Spannen einer gemeinsamen Folie auf bzw. über mehrere Substrate), mehrere Substrate gleichzeitig mit mindestens einer Leiterbahn zu prägen. Bevorzugt wird hierzu ein gemeinsamer Prägestempel mit mehreren Prägeabschnitten eingesetzt. Ebenso ist ^* es denkbar, ein großflächiges Substrat in unterschiedlichen Substratabschnitten durch die Laminierung, d.h. Vorfixierung, und/oder das Vorspannen der gemeinsamen Folie gleichzeitig zu prägen, wobei es realisierbar ist, die unterschiedlichen, vorzugsweise gleichartigen, Substratabschnitte nach dem Prägeprozess voneinander zu

trennen, um einzelne, vorzugsweise identische, Bauelemente zu erhalten. Das Trennen kann beispielsweise durch Schneiden oder Sägen erfolgen.

Optimiert werden kann das zuvor beschriebene Verfahren dadurch, dass das Substrat gleichzeitig mit dem Aufprägen mindestens einer Leiterbahn mittels des Prägestempels strukturiert wird. Beispielsweise können, insbesondere außerhalb eines von der Folie überdeckten Bereichs, Mikrostrukturen, vorzugsweise fluidische Strukturen, wie Kanäle, Durchgangslöcher, Kavernen, etc. in das vorzugsweise aus Polymer bestehende Substrat eingeprägt werden.

Die Erfindung führt auch auf ein Substrat, vorzugsweise hergestellt mit einem zuvor beschriebenen Verfahren, wobei auf das Substrat mindestens eine Leiterbahn aufgeprägt ist. Das Substrat zeichnet sich dadurch aus, dass in mindestens zwei voneinander beabstandeten Strukturebenen Folie, aufweisend mindestens eine elektrisch leitende Schicht, aufgeprägt ist, wobei es im Rahmen der Erfindung liegt, dass nur die Folie in einer der Strukturebenen als auch die Folie in mindestens zwei Strukturebenen jeweils mindestens eine Leiterbahn bildet. Es ist eine Ausbildung des Substrates mit einer Vielzahl, d. tu mit mehr als zwei mit jeweils einer elektrisch leitenden Folie versehenen Strukturebene denkbar, wobei es möglich ist, dass die Folien in jeder Strukturebene jeweils mindestens eine Leiterbahn bilden.

Bevorzugt ist der Abstand der Strukturebenen voneinander so groß gewählt, dass die Folie in den unterschiedlichen

Strukturebenen voneinander getrennt, d.h. elektrisch isoliert, ist.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Substrates, bei der, sowohl in einer erhabenen Strukturebene als auch- in einer von dieser abgesetzten Strukturebene, eine Leiterbahn aufgeprägt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in: .

Fig. 1: zwei unterschiedliche Polymersubstrate,

Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel einer möglichen zur

Anwendung kommenden Folie,

Fig. 3: eine mögliche Ausführungsform eines Prägestempels,

Fig. 4: eine Presse, in der. ein Substrat mit einer vollflächig auf dieser aufgelegten Folie angeordnet ist,

Fig. 5: eine Presse, in der mehrere Substrate angeordnet sind, auf die eine gemeinsame Folie vor dem eigentlichen Prägeschritt auflaminiert wurde,

Fig. 6: eine teilflächige Anordnung zweier auf ein einziges Substrat laminierten Folien,

Fig. 7: ein in einer Presse aufgenommenes Substrat, auf das zwei beabstandete Folien auflaminiert sind, wobei der Prägestempel auch in einem Bereich außerhalb der Folien zur Strukturierung des

Substrates mit einer Prägestruktur versehen ist,

Fig. 8: ein aus dem Prägevorgang gemäß Fig. 7 resultierendes, mit Leiterbahnen versehenes, Substrat,

Fig. 9: ein Substrat mit in zwei Strukturebenen angeordneten Folienabschnitten, wobei lediglich die in ^' der erhabenen Strukturebene angeordneten Folienabschnitte Leiterbahnen bilden und

Fig. 10: ein Substrat, bei dem in zwei unterschiedlichen, voneinander beabstandeten, Strukturebenen

Leiterbahnen aus Folienabschnitten aufgeprägt sind.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet .

In Fig.- 1 sind, übereinander zwei unterschiedliche Substrate 1 aus einem Kunststoffmaterial gezeigt. Das in der Zeichnungsebene obere Substrat 1 ist unstrukturiert. Das in der Zeichnungsebene untere Substrat 1 ist mit einer Mikrostruktur 2 versehen, die beispielsweise in einem

abtragenden oder in einem Umformverfahren oder beispielsweise im Spritzgussverfahren eingebracht wurde.

In Fig. 2 ist eine mögliche, zum Herstellen von Leiterbahnen zum Einsatz kommende, Folie 3 gezeigt. Die Folie 3 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dreischichtig ausgeführt.. Eine mittlere, elektrisch leitende, Schicht 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Gold ausgebildet. Darüber befindet sich in der Zeichnungsebene eine VeredelungsSchicht 5. Auf einer dem Substrat 1 in einem späteren- Prägeprozess zugewandten unteren Seite ist eine Haftschicht 6 vorgesehen.

In Fig. 3 ist ein möglicher, für den Heißprägeprozess notwendiger, Prägestempel 7 mit einer Stempelfläche. 8 gezeigt. Die Stempelfläche 8 ist mit einer Prägestruktur 9 (Mikrostruktur) versehen.

In Fig. 4 ist eine Presse 10 mit einem Prägestempel 7 gezeigt. In die Presse ist ein unstrukturiertes Substrat 1 eingelegt. Auf diesem befindet sich eine dreischichtige Folie 3 {vgl. Fig. 3), die entweder nur auf das Substrat 1 aufgelegt, vorzugsweise jedoch auf dieses in einem vorhergehenden Schritt auflaminiert wurde. Alternativ ist das Spannen der Folie 3, beispielsweise in einem Spannrahmen, möglich. Der Prägestempel 7 ist in zwei voneinander beabstandeten Abschnitten mit jeweils einer Prägestruktur 9 versehen. Beim Stempeln (Prägen) werden demnach zv/ei identisch geprägte Substratabschnitte erhalten, die in einem darauf folgenden Schritt voneinander getrennt werden können.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sind in die Presse 10 mehrere, unterschiedliche, nicht strukturierte Substrate 1 eingelegt, bei denen eine gemeinsame Folie 3 angeordnet ist. Die Folie 3 ist auf sämtliche Substrate 1 auflaminiert. Alternativ ist ein Spannen der Folie 3, beispielsweise in einem Spannrahmen, möglich.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 sind auf einem einzigen, nicht strukturierten, Substrat 1 zwei beabstandete Folien 3 auflaminiert . Durch einen Prägevorgang, bei dem der Prägestempel 7 auf das Substrat 1 in eine Stempelrichtung 11 relativ zu dem Substrat 1 bewegt wird, können zwei identisch strukturierte, d. h. mit jeweils mindestens einer Leiterbahn ^{' ■} versehene, Substratabschnitte erhalten werden, die in einem späteren Verfahrensschritt voneinander getrennt werden können.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 ist in eine Presse 10 ein einziges, nicht strukturiertes, Substrat 1 eingebracht. Auf dieses sind zwei beabstandete, unterschiedlich große, Folien 3 auflaminiert . Der Prägestempel 7 ist nicht nur in den Bereichen oberhalb der Folien 3 mit einer Prägestruktur 9 versehen, sondern weist auch in einem außerhalb ^' der Folien liegenden Bereich eine Prägestruktur 9 auf, mit der die in Fig. 8 gezeigte MiJcrostruktur 2, insbesondere eine fluidische Mikrostruktur 2, in das Substrat 1 einbringbar ist.

In Fig. 8 ist ein aus dem Prägeprozess gemäß Fig. 7 resultierendes Substrat 1 gezeigt. Zu erkennen ist, dass sowohl die Folie 3 in einer erhabenen Strukturebene 12 als auch in einer von dieser abgesetzten Strukturebene 13 auf das Substrat 1 aufgeprägt wurde. Auf ein Abziehen der Folie

3 in der erhabenen Strukturebene 12 wurde erfindungsgemäß verzichtet. Sowohl die Folie 3 bzw. Folienabschnitte in der erhabenen Strukturebene 12 als auch die Folie 3 bzw. Folienabschnitte in der abgesetzten Strukturebene 13 können jeweils mindestens eine Leiterbahn bilden. Der Abstand zwischen den Strukturebenen 12, 13 ist so groß gewählt, dass die Folie 3 in der erhabenen Struktur 12 von der Folie 3 in der abgesetzten Struktur 13 elektrisch isoliert ist (abgescherte Folienabschnitte} .

In Fig. 9 ist ein mögliches, mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hersteilbares, Substrat 1 gezeigt. Zu erkennen ist,, dass sowohl .in einer erhabenen Strukturebene 12 als auch in einer ^■ in Stempelrichtung 11 von dieser beabstandeten, abgesetzten Strukturebene 13, Folie 3 bzw. Folienabschnitte aufgeprägt sind. Die in der erhabenen ξtrukturebene 12 angeordneten Folienabschnitte (eingekreist) dienen als aktive Leiterbahn (en) , während den Folienabschnitten in der abgesetzten Strukturebene 13 keine aktive elektrisch leitende Funktion zukommt. Diese sind von den Folienabschnitten in der erhabenen Strukturebene 12 elektrisch isoliert durch eine entsprechend große Beabstandung der Strukturebenen 12, 13.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 mit dem einzigen Unterschied, dass in beiden Strukturebenen 12, 13 angeordnete, aufgeprägte Folienabschnitte aktive Leiterbahnen dienen, was durch die Einkreisung sämtlicher Folienabschnitte symbolisiert ist.