Schlussbericht. der Forschungsstelle(n) Hahn-Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik HSG-IMAT. zu dem über die

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1 Schlussbericht der Forschungsstelle(n) Hahn-Schickard-Institut für Mikroaufbautechnik HSG-IMAT zu dem über die im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geförderten Vorhaben N Untersuchungen zu umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Reinigungsverfahren für laserstrukturierte 3D-MID-Baugruppen (Bewilligungszeitraum: ) der AiF-Forschungsvereinigung Hahn-Schickard-Gesellschaft Stuttgart, Ort, Datum S. Weser Name und Unterschrift des/der Projektleiter(s) an der/den Forschungsstelle(n) 0910

2 Inhalt 1 Zusammenfassung Einleitung und Aufgabenstellung Konzeption Testsubstrate Testsubstrate und Testlayout Methoden zur Charakterisierung der Reinigungswirkung LDS-Testsubstrat und Testlayout LSA-Testsubstrat und Testlayout Vorrichtung zur Charakterisierung der Testsubstrate Untersuchungen zur Reinigung von LSA-Substraten Nasschemische Reinigung Untersuchungen zum Einfluss von Reiniger und Temperatur Untersuchungen zum Einfluss einer Laserreinigung und der Temperatur des Reinigers CO 2 -Schneestrahreinigung Untersuchungen zum Einfluss von Druck, Reinigungspitch und Verfahrgeschwindigkeit Zusammenfassung der Ergebnisse Untersuchungen zur Reinigung von LDS-Substraten Nasschemische Reinigung Vorversuche zur Auswahl von Werkstoff und Reiniger Untersuchungen zum Einfluss der Ultraschallfrequenz und Warenträger Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur (Kreuzversuch mit Trommel und Gestell) Untersuchungen zum Einfluss der Badumwälzung und Substratwerkstoff Einfluss des Kupferelektrolyten CO 2 -Schneestrahlreinigung Vorversuch zur Ermittlung des Prozessfensters Untersuchungen zum Einfluss von Verfahrgeschwindigkeit und Substratwerkstoff Wasserstrahlreinigung Untersuchungen zum Einfluss von Wasserdruck und Prozesszeit Zusammenfassung der Ergebnisse Bewertung der Reinigungsverfahren Literaturverzeichnis Danksagung

3 1 Zusammenfassung Ziel des Vorhabens war die systematische Erweiterung der Wissensbasis zu Reinigungsverfahren für laserbasierte MID-Technologien, d.h. für die volladditive LPKF- LDS -Technologie sowie die semi-additive LSA-Technologie. Dazu wurden insbesondere nasschemische Reinigungsverfahren mit Unterstützung von Ultraschall sowie Strahlverfahren wie die Wasserstrahlreinigung und CO 2 -Schneestrahlreinigung umfassend untersucht und bewertet. Für die Untersuchungen wurden Testlayouts auf geeigneten Testsubstraten erarbeitet, welche vor allem elektrisch auf Kurzschluss und Durchgang geprüft werden konnten. Für die umfangreiche elektrische Charakterisierung der Substrate wurde ein geeigneter Messplatz konzipiert und aufgebaut. Bei der nasschemischen Reinigung von Substraten in LSA-Technologie wurden Untersuchungen zum Einfluss von Reinigungsmedium und Prozessparametern durchgeführt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das Reinigungsmedium einen geringeren Einfluss hat als ursprünglich vermutet wurde. Die Reinigungswirkung wird vor allem durch die Parameter Temperatur und Zeit beeinflusst, wobei chemische Prozesse zur Entfernung der Ablationsprodukte durch höhere Temperaturen eher begünstigt werden, während der Einfluss des Ultraschalls bei höherer Temperatur eher verringert wird. Deutlich höhere Ausbeuten werden erzielt, wenn nach der Strukturierung der Leiterbahnen und vor der nasschemischen Reinigung in den Isolationsbereichen eine zusätzliche Überfahrt des Lasers mit stark erhöhter Geschwindigkeit durchgeführt wird. Strukturbreiten von 160µm auf 3D- Substraten konnten so mit hoher Ausbeute erzielt werden. Weiterhin wurde die Einsatzmöglichkeit der CO 2 -Schneestrahlreinigung zur Reinigung von in LSA-Technologie hergestellten Substraten untersucht, wobei sich gezeigt hat, dass sich die CO 2 -Schneestrahlreinigung als alleiniges Reinigungsverfahren für die LSA-Technologie nicht eignet. Bei der nasschemischen Reinigung von Substraten in LPKF-LDS -Technologie wurden Untersuchungen zum Einfluss von Reinigungsmedium, Ultraschallfrequenz, Temperatur, Badumwälzung sowie zum Einfluss von Gestell- und Trommelprozessierung durchgeführt. Dabei wurden die LDS-Werkstoffe LCP Vectra E840i LDS, Pocan PBT 7102 und PA/6T Ultramid T 4381 LDS in Betracht gezogen. Weiterhin wurde exemplarisch der Einfluss des Kupfer-Elektrolyten bei der anschließenden außenstromlosen Verkupferung untersucht. Es konnten mehrere nasschemische Reinigungsmedien identifiziert werden, welche eine zuverlässige Reinigung von laseraktivierten Strukturen ermöglichen, ohne diese zu passivieren. Weiterhin hat sich vor allem gezeigt, dass der Einsatz von Multifrequenz- Ultraschall (40kHz, 80kHz und 120kHz) zu deutlich besseren Ergebnissen führt als Monofrequenz-Ultraschall (40kHz). Bei der Trommelprozessierung ist aufgrund der Abschattung des Ultraschalls vor allem durch die Trommel eine Intensivierung des Reinigungsprozesses erforderlich, wobei sich die Trommelprozessierung geometriebedingt nicht für alle Substrate eignet. Bei der nasschemischen Reinigung konnten für alle untersuchten LDS-Werkstoffe Parameter identifiziert werden, welche eine zuverlässige Reinigung von laserdirektstrukturierten 3D-Substraten mit Strukturbreiten größer als 250µm ermöglichen. Weiterhin wurden umfangreiche Untersuchungen zur Wasserstrahlreinigung sowie zur CO 2 - Schneestrahlreinigung von laserdirektstrukturierten Substraten durchgeführt. Es hat sich 2

4 gezeigt, dass die Wasserstrahlreinigung nur für Substrate mit geeigneter Geometrie und Strukturbreiten von mindestens 300µm eingesetzt werden kann. Die CO 2 - Schneestrahlreinigung ist für 3D-Substrate mit Strukturbreiten auch kleiner als 250µm gut geeignet und weist aufgrund der planarisierenden Wirkung des CO 2 -Schneestrahls auch für nachfolgende AVT-Prozesse Vorteile auf. Bei der CO 2 -Schneestrahlreinigung von 2D- Strukturen mit Strukturbreiten bis zu 150µm konnten noch geeignete Parameter identifiziert werden, jedoch nimmt bei Strukturbreiten unter 150µm vor allem auf 3D-Substraten bei den derzeitig verfügbaren LDS-Werkstoffen die Ausbeute deutlich ab. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. 3

5 2 Einleitung und Aufgabenstellung Mittlerweile werden in verschiedensten Anwendungsbereichen Moulded Interconnect Devices (MID) als miniaturisierte dreidimensionale Baugruppen eingesetzt [Bir10, MID11, Roh11]. Insbesondere die dreidimensionale Gestaltungsfreiheit der MID-Technik sowie die vielfältigen Möglichkeiten im Hinblick auf die Miniaturisierung und die Erhöhung der Funktionalität von Systemen haben hierzu beigetragen. Je nach Anwendung können elektrische und mechanische Funktionen, aber auch fluidische und sensorische Funktionen in einem Bauteil integriert werden, wobei die verschiedenartige Funktionalität mit derselben Technologie realisiert werden kann [Ebe09, For04]. Laserbasierte MID-Technologien wie die volladditive LPKF-LDS -Technologie oder die semiadditive LSA-Technologie des HSG-IMAT erlauben dabei feinste Strukturbreiten auf thermoplastischen multifunktionalen 3D-Baugruppen und zeichnen sich auch durch die hohe Flexibilität im Hinblick auf das Leiterbild aus. Auch Durchkontaktierungen können realisiert werden [Igf01]. Im Gegensatz zu anderen MID-Technologien sind hier in der Regel keine Werkzeugänderungen notwendig, so dass insbesondere bei Produkten mit kurzen Innovationszyklen wie z.b. Baugruppen für Mobiltelefone [Bäc08, Jan08] eine schnelle und kostengünstige Änderung des Leiterbilds möglich ist. Mittlerweile sind auch sehr leistungsfähige Laseranlagen mit mehreren Belichtungsköpfen verfügbar, womit sehr kurze Taktzeiten erreicht werden können [Bäc08]. Für die volladditive LPKF-LDS -Technologie sind mittlerweile verschiedene thermoplastische Werkstoffe für unterschiedliche Anwendungen kommerziell verfügbar, z.b. LCP, PA6/6T, PC und PBT-Blends [Joh11]. Die selektive Metallbeschichtung erfolgt in der Regel mit außenstromlosen Metallisierungsprozessen, standardmäßig wird ein Schichtstapel aus chemisch Kupfer, chemisch Nickel und Tauchgold abgeschieden. Werden Metallschichten mit einer höheren Stromtragfähigkeit benötigt, so kann nach der Abscheidung einer Startkupferschicht auch die galvanische Verstärkung mit Kupfer durchgeführt werden, was allerdings nur bei zusammenhängenden Leiterbildern möglich ist. Zur Überwachung des in der LPKF-LDS - Technologie eingesetzten außenstromlosen Kupferelektrolyten steht mittlerweile auch ein Verfahren zur Verfügung [Bmb07], was zu einer deutlichen Verbesserung der Prozessstabilität führt. Die semiadditive LSA-Technologie des HSG-IMAT [Schu08] kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn besonders feine Strukturbreiten und auch große Metallflächen zum Beispiel für Schirmungen erforderlich sind. Bei der LSA-Technologie wird das MID-Bauteil zuerst vollflächig mit einer außenstromlos chemisch abgeschiedenen Startkupferschicht beschichtet, danach erfolgt die Strukturierung durch Ablation der Kupferschicht mit einem UV-Laser. Abschließend wird chemisch Nickel und Tauchgold abgeschieden. Der Laserstrukturierungsprozess erzeugt jedoch generell Ablationsprodukte, die sog. Debris, die sich auf nachfolgende Prozesse negativ auswirken und somit nach dem Laserstrukturierungsprozess entfernt werden müssen. Bei der LPKF-LDS -Technologie muss vor der außenstromlosen Metallbeschichtung des laseraktivierten Kunststoffbauteils ein Reinigungsschritt durchgeführt werden. Bei der LSA-Technologie erfolgt der Reinigungsschritt vor der Nachverstärkung der laserstrukturierten Kupferstartschicht mit chemisch Nickel und Tauchgold. Zur Reinigung werden derzeit vor allem nasschemische Reinigungsverfahren sowie in einzelnen Fällen Wasserstrahlreinigung eingesetzt. Allerdings ist diese Thematik bisher sehr pragmatisch angegangen und nicht systematisch untersucht 4

6 worden. Das Potential von laserbasierten MID-Technologien kann daher durch eine systematische Untersuchung bisheriger und alternativer Reinigungsverfahren unter Berücksichtigung von Wirtschaftlichkeitsaspekten deutlich erweitert werden. Die generelle Auswahl eines nasschemischen Reinigungsverfahrens orientiert sich in der Regel vor allem an den zu beseitigenden Verschmutzungen sowie am Substratwerkstoff. Hier kann oft auf Erfahrungen bei kommerziellen Reinigungssystemen für verschiedenste Anwendungen zurückgegriffen werden. Im Falle der Reinigung von laseraktivierten Strukturen bei der LPKF-LDS -Technologie muss jedoch zusätzlich gewährleistet sein, dass die gereinigte Struktur im nachfolgenden außenstromlosen Metallisierungsprozess noch metallisiert werden kann. Die an der Substratoberfläche durch den Laserstrukturierungsprozess erzeugten und für den Metallisierungsprozess katalytisch wirkenden Keime dürfen durch den Reinigungsprozess nicht passiviert werden. Somit scheiden beispielsweise oxidativ wirkende Reinigungsmedien aus. Bei der LSA-Technologie muss durch den Reinigungsschritt die Laserdebris auf der Kupfer- und Kunststoffoberfläche entfernt werden, was in der Regel ein anderes Reinigungsmedium erforderlich macht. Das Reinigungsmedium darf dabei die erzeugten Strukturen nicht ablösen oder unterwandern. Ein weiteres Kriterium bei der nasschemischen Reinigung ist immer auch das Handling der Bauteile während des Reinigungsprozesses. Insbesondere beim unterstützenden Einsatz von Ultraschall kommt der Bauteilhalterung eine große Bedeutung zu. Abschattungseffekte können insbesondere bei einem Trommelprozess zu einem veränderten Reinigungsergebnis führen. Weiterhin kann auch die Ultraschallfrequenz das Reinigungsergebnis beeinflussen. Nasschemische Reinigungsverfahren sind vergleichsweise einfach in eine nasschemische Metallisierungslinie für MID zu integrieren. So kann die Reinigung unmittelbar vor der Beschichtung durchgeführt werden, wobei die MID-Bauteile nass in nass prozessiert werden können. Weiterhin ist vor allem bei Bauteilen, welche eine für den Trommelprozess geeignete Geometrie haben, dieses Verfahren sehr effizient. Nachteilig bei allen nasschemischen Verfahren ist jedoch die notwendige Entsorgung verbrauchter Reinigungslösungen. Zusätzlich ist nach dem Reinigungsschritt ein Spülschritt notwendig, damit die Verschleppung von Reinigungsmedien in den Elektrolyten verhindert wird. Die bisher zur Reinigung von laserdirektstrukturierten Bauteilen auch eingesetzte Wasserstrahlreinigung eignet sich nur für Bauteile mit vergleichsweise großen Abmessungen und ist somit für miniaturisierte Baugruppen von untergeordneter Bedeutung. Bei entsprechenden Geometrien wie z.b. bei flächigen MID-Bauteilen, welche sich bei der ultraschallunterstützten nasschemischen Reinigung gegenseitig abschatten können, hat die Wasserstrahlreinigung aber durchaus Vorteile. Alternativ zu wässrigen Reinigungssystemen kommt in vielen Bereichen der Technik mittlerweile der CO 2 -Schneestrahlreinigung eine große Bedeutung zu [Acp12, Schu09]. Dabei handelt es sich um ein schonendes aber trotzdem sehr effektives Reinigungsverfahren, was auch für empfindliche und feinstrukturierte Oberflächen geeignet ist. Da sich das Kohlendioxid im Laufe seiner Anwendung verflüchtigt, hinterlässt es keine Rückstände; zugleich sind die Schneekristalle weich genug, um selbst empfindliche Oberflächen nicht zu beschädigen. Das Verfahren ist sehr gut automatisierbar und wird für viele Anwendungen bereits in der Serienproduktion eingesetzt, beispielsweise in der Elektronikfertigung, zur Oberflächenvorbehandlung bei Klebe- und Beschichtungsprozessen oder bei verschiedenen Zerspan- und Laserbearbeitungsprozessen. Da das verwendete Kohlendioxid ein Abfallprodukt bei der Herstellung von Industriegasen ist und ansonsten bei 5

7 dem Verfahren außer Druckluft keine zusätzlichen Medien benötigt werden, zeichnet sich das Verfahren auch durch eine hohe Umweltfreundlichkeit aus. Erste Versuche vor Beginn des Vorhabens haben gezeigt, dass das CO 2 - Schneestrahlreinigungsverfahren ein großes Potential zur Reinigung von laseraktivierten MID-Bauteilen vor der Metallbeschichtung hat. Da dem Reinigungsprozess nach der Laserbearbeitung der MID-Bauteile eine wesentliche Bedeutung zukommt, sollten im Vorhaben im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung verschiedene Reinigungsverfahren für die LPKF-LDS - und LSA- Technologie systematisch untersucht und bewertet werden. Wesentliche Kriterien zur Bewertung der Verfahren sind dabei Reinigungswirkung sowie der Einfluss auf das Anspringverhalten der nachfolgenden Metallisierung. 6

8 3 Konzeption Testsubstrate 3.1 Testsubstrate und Testlayout Eine Anforderung bei der Auswahl des Testsubstrats war eine dreidimensionale Geometrie die sowohl im Gestell (Abbildung 1) als auch in der Trommel (Abbildung 2) prozessierbar sein sollte. Weiterhin sollten die Substrate so ausgelegt sein, dass diese schnell und einfach charakterisiert werden können. Diese Anforderungen wurden von dem in Abbildung 3 gezeigten Pyramidenstumpf erfüllt. Abbildung 1: Gestell Abbildung 2: Trommel 3-D Bauteil Abmaße Außenkanten 35mm x 35mm, Höhe innen 6,7mm Strukturierung auf mehreren Ebenen und unter verschiedenen Winkeln (50, 60 ) möglich Geeignet für Trommel- und Gestell- Prozesssierung Integrierte Öse zur Prozesssierung im Gestell Integrierte Abstandshalter zur Prozesssierung in der Trommel Abbildung 3: Pyramidenstumpf 7

9 3.1.1 Methoden zur Charakterisierung der Reinigungswirkung Bei der Reinigung von MID-Bauteilen können aus bisherigen Erfahrungen die in Tabelle 1 aufgeführten Fehlerbilder auftreten. Diese können durch die in der Tabelle aufgeführten elektrischen Testmethoden detektiert und zur Beurteilung des Reinigungsprozesses verwendet werden. Verfahren Fehler Testmethode LSA Unterbrechungen der Leiterbahn durch zu intensive Reinigung Durchgangsprüfung LSA Kurzschlüsse nach der Nickel/Gold- Kurzschlussprüfung Beschichtung durch unzureichende Reinigung LPKF-LDS Unterbrechungen der Leiterbahn durch zu Durchgangsprüfung intensive Reinigung LPKF-LDS Zu hoher Widerstand der Leiterbahn aufgrund Widerstandsmessung einer Passivierung durch den Reiniger LPKF-LDS Kurzschlüsse nach der Kupfer/Nickel/Gold- Beschichtung durch unzureichende Reinigung Kurzschlussprüfung Tabelle 1: Mögliche Fehlerbilder bei laserbasierten MID-Bauteilen aufgrund eines nicht optimalen Reinigungsprozess Kurzschlussprüfung: Zur Kurzschlussprüfung wird nach der Kupfer/Nickel/Gold-Beschichtung zwischen zwei Leiterbahnen eine Spannung U von 100V angelegt und der Strom I gemessen. Daraus lässt sich mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes der Isolationswiderstand R berechnen, wobei R < 1MΩ als Ausfall gewertet wird. Durchgangsprüfung (2-Leiter-Messung): Bei der Durchgangsprüfung wird mit einem einfachen elektrischen Prüfgerät mittels eines akustischen Signals geprüft, ob ein Strom durch eine Leiterbahn fließt. Die Durchgangsprüfung erfolgt beim LSA-Verfahren nach der Laserstrukturierung der Kupfer-Beschichtung. Bei der LPKF-LDS -Technologie erfolgt die Durchgangsprüfung auch nach der Kupfer-Beschichtung, da evtl. Unterbrechungen der leitenden Strukturen während der Nickel/Gold-Beschichtung zuwachsen und nicht mehr detektiert werden können. Widerstandsmessung (4-Leiter-Messung): Die Widerstandsmessung erfolgt beim LSA-Verfahren nach der Laserstrukturierung der Kupfer-Beschichtung. Bei der LPKF-LDS -Technologie erfolgt die Widerstandsmessung auch nach der Kupfer-Beschichtung, da evtl. Unterbrechungen der Leiterbahnen während der Nickel/Gold-Beschichtung zuwachsen und nicht mehr detektiert werden können. Hierbei fließt durch die Leiterbahnen ein definierter Strom I während die Spannung U gemessen wird. Aus dem eingespeisten Strom und der gemessenen Spannung lässt sich nach dem Ohm schen Gesetz der Leiterbahnwiderstand R berechnen. Überschreitet der 8

10 Leiterbahnwiderstand (im Folgenden R Leiter ) einen festgelegten Grenzwiderstand R Grenz wird dies als Ausfall gewertet. Der Grenzwiderstand R Grenz berechnet sich aus der Leiterbahngeometrie (Länge, Breite, Dicke) und dem spezifischen Widerstand ρ der Metallschicht auf dem MID. R Grenz = ρ x l_ d x b ρ= 0,0489 Ω x mm 2 (experimentell aus MID-Leiterbahnen (chemisch Kupfer) auf m LCP ermittelt) l= Leiterbahnlänge [mm] (aus CAD-Daten ermittelt) b= Leiterbahnbreite [mm] (experimentell ermittelt) d= Schichtdicke [µm] LDS-Testsubstrat und Testlayout Bei den Versuchen zur Reinigung von LDS-Substraten wurden folgende Werkstoffe untersucht: LCP Vectra E840i LDS PA6/6T Ultramid T4381 LDS PBT Pocan DP7102 LDS Für die Kurzschlussprüfung und Widerstandsmessung wurden Teststrukturen (Abbildung 4 ) bestehend aus jeweils einem Mäander und zwei Kämmen entworfen. Abbildung 4:Schematische Darstellung der Teststruktur Dadurch kann auf einer relativ kleinen Fläche eine vergleichsweise lange Leiterbahn erzeugt werden, an welcher die Widerstandsmessung durchgeführt wird. Mit zunehmender Leiterbahnlänge steigt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Unterbrechungen im Mäander und Kurzschlüssen zwischen Mäander und Kammstruktur, welche Kriterien zur Beurteilung der Reinigungswirkung sind. 9

11 Um Einflüsse der Bauteilgeometrie sowie Einflüsse der Position der Teststruktur auf dem Bauteil im Reinigungsmedium detektieren zu können wurde das Layout so ausgelegt, dass sich auf den 6 Innenseiten des Pyramidenstumpfs jeweils 1 Mäander und 2 Kämme befinden (siehe Abbildung 5 und Abbildung 6). Abbildung 5: Layout auf LDS Pyramidenstumpf Abbildung 6: Metallisierter LDS Pyramidenstumpf (Pitch 250µm) Dies bedeutet, dass auf einem Pyramidenstumpf maximal 6 Unterbrechungen bzw. 12 Kurzschlüsse detektiert werden können. Um die Grenzen der jeweiligen Reinigungsverfahren ermitteln zu können wurde das Layout mit drei verschiedenen Pitches (150µm, 250µm und 300µm) umgesetzt, wobei sich auf einem Substrat immer nur ein Pitch befindet. Dabei ergeben sich die in Tabelle 2 aufgeführten Mäanderlängen. Pitch 150µm 250µm 300µm Mäander 1 0,317m 0,187m 0,145m Mäander 2 0,513m 0,309m 0,270m Mäander 3 0,475m 0,284m 0,247m Mäander 4 0,440m 0,258m 0,221m Mäander 5 0,516m 0,319m 0,251m Mäander 6 0,671m 0,423m 0,336m Gesamtlänge ca. 2,9m ca. 1,8m ca. 1,5m Tabelle 2: Mäanderlängen auf Pyramidenstumpf Die Strukturierung des Layouts mit einem Pitch von 150µm erfolgte mit einer Laserlinie auf der Feinfokusanlage Microline 3D 160i der Firma LPKF Laser & Electronics AG mit einem Laserfokusdurchmesser von 60µm. Die Strukturierung der Layouts mit einem Pitch von 250µm und 300µm erfolgte mit mehreren Laserlinien. Um den Grenzwiderstand R Grenz von jedem Mäander berechnen zu können wurden die Leiterbahnabstände und Leiterbahnbreiten (Tabelle 3) mittels der Software WCIF ImageJ ermittelt. 10

12 Pitch M1 0 M2 50 M3 60 M4 60 M5 50 M µm LB Breite LB Abstand LB Breite LB Abstand LB Breite LB Abstand LB Breite LB Abstand LB Breite LB Abstand LB Breite LB Abstand Messung 1 146,9 148,6 173,6 129,9 170,0 123,7 167,3 125,5 171,8 130,8 155,8 146,9 Messung 2 147,7 150,4 170,9 129,9 170,0 126,4 172,7 120,2 162,9 133,5 154,9 141,5 Messung 3 145,1 146,9 173,6 129,9 171,8 129,1 173,6 120,2 162,0 135,3 152,2 145,1 Messung 4 147,7 150,4 171,8 135,3 170,0 125,5 169,1 125,5 167,3 129,9 154,9 142,4 Messung 5 147,7 150,4 172,7 130,8 167,3 127,3 168,2 122,8 170,0 127,3 155,8 145,7 MW 147,0 149,3 172,5 131,2 169,8 126,4 170,2 122,8 166,8 131,4 154,7 144,3 Stabw 1,2 1,6 1,2 2,3 1,6 2,0 2,8 2,7 4,3 3,1 1,5 2,3 250µm Messung 1 121,9 125,5 146,0 102,4 146,9 96,1 151,3 87,2 139,7 106,8 125,5 120,2 Messung 2 121,0 125,5 143,3 105,0 149,5 96,1 153,1 86,3 143,3 103,2 127,3 122,8 Messung 3 124,6 124,6 145,1 107,7 146,9 92,6 153,1 95,2 146,0 105,0 127,3 120,2 Messung 4 121,9 125,5 142,4 103,2 152,2 93,5 150,4 89,2 144,2 102,4 127,3 121,0 Messung 5 123,7 126,4 145,0 106,8 151,3 94,3 151,3 95,2 146,9 105,9 127,3 123,7 MW 122,6 125,5 144,4 105,0 149,3 94,5 151,8 90,6 144,0 104,7 126,9 121,6 Stabw 1,5 0,6 1,5 2,3 2,5 1,6 1,2 4,3 2,8 1,8 0,8 1,6 150µm Messung 1 51,9 96,9 63,3 85,5 69,5 80,9 69,5 78,1 63,8 88,9 51,3 99,8 Messung 2 51,3 96,3 65,0 87,2 69,5 72,9 70,7 75,8 63,8 86,1 51,3 95,2 Messung 3 50,7 96,9 64,4 90,6 72,4 82,6 70,1 73,0 65,6 82,1 52,4 95,2 Messung 4 51,3 95,2 63,8 86,6 70,1 79,2 70,1 79,8 66,1 77,5 51,9 100,9 Messung 5 52,4 98,6 65,6 85,5 70,7 79,8 71,3 65,5 66,1 81,5 51,3 97,5 MW 51,5 96,8 64,4 87,1 70,5 79,1 70,3 74,4 65,1 83,2 51,6 97,7 Stabw 0,6 1,2 0,9 2,1 1,2 3,7 0,7 5,6 1,2 4,4 0,5 2,6 Tabelle 3: Gemessene Strukturbreiten der Mäander Die Abweichungen zwischen den Soll- und Ist-Werten kann durch die Laserstrukturierung unter verschiedenen Winkeln erklärt werden. Für die Berechnung der Grenzwiderstände (Tabelle 4) wurden die Mittelwerte der gemessenen Strukturbreiten verwendet. Mäander Grenzwiderstand [Ω] 150µm Pitch 250µm Pitch 300µm Pitch Mäander 1 43,0 10,7 6,9 Mäander 2 55,6 15,0 10,9 Mäander 3 47,1 13,3 10,1 Mäander 4 43,6 11,9 9,0 Mäander 5 55,3 15,5 10,5 Mäander 6 90,7 23,3 15,1 Tabelle 4: Grenzwiderstände der Mäander Für die Auswertung der einzelnen Leiterbahnwiderstände in nachfolgenden Versuchen wurde aufgrund der Übersichtlichkeit der Quotient aus gemessenem Widerstand/ Grenzwiderstand verwendet. War dieser Quotient >1 wurde dies als Ausfall gewertet, da der gemessene Widerstand größer als der festgelegte Grenzwiderstand R Grenz war. 11

13 3.1.3 LSA-Testsubstrat und Testlayout Für die Untersuchungen zum LSA-Verfahren wurden Substrate aus dem Werkstoff LCP Vectra E820i verwendet. Das in Abbildung 7 und in Abbildung 8 dargestellte Layout weist in Anlehnung an das LDS-Layout ebenfalls 6 Mäander auf unterschiedlichen Flächen auf. Die Kurzschlussprüfung erfolgt bei den LSA-Substraten zwischen der Mäanderstruktur und der Masse (unstrukturierter Bereich), so dass auf jedem Bauteil maximal 6 Kurzschlüsse bzw. 6 Unterbrechungen messbar sind. Masse Abbildung 7: Layout auf LSA-Pyramidenstumpf Abbildung 8: Metallisierter LSA-Pyramidenstumpf Teststrukturen: 6 Mäander Pitch 160µm Beschichtung: Schichtdicke Cu: 6µm ± 2µm Schichtdicke Ni: 5µm ± 2µm Schichtdicke Au: 0,1µm ± 0,05µm 3.2 Vorrichtung zur Charakterisierung der Testsubstrate Für die elektrische Charakterisierung der Substrate wurde der in Abbildung 9 dargestellte halbautomatische Messplatz aufgebaut. Um sicherstellen zu können, dass alle Kurzschlüsse und Unterbrechungen sicher detektiert werden wurde der Messplatz so aufgebaut, dass auf einem Messpad 2 Federstifte mit einem Durchmesser von 270µm platziert werden konnten. 12

14 Abbildung 9: Halbautomatischer Messplatz zur elektrischen Charakterisierung Dadurch konnte vor Beginn der eigentlichen Messungen überprüft werden, ob die beiden Federstifte auf einem Pad elektrisch miteinander verbunden sind. Erst wenn alle Federstifte richtig kontaktiert waren wurde das Substrat elektrisch geprüft und die Messdaten erfasst. Programmablauf: 1. Bauteil einlegen 2. Federstifte absenken (Kontaktschalter) 3. Messprogramm starten: Nadeln werden auf Kontakt geprüft 4-Leiter- und Kurzschluss- Messung startet Automatische Messdatenerfassung 4. Federstifte hochfahren 5. Bauteil entnehmen Im Anschluss an die Messungen wurden die Daten automatisch in eine Exceldatei exportiert und konnten ausgewertet werden. 13

15 4 Untersuchungen zur Reinigung von LSA-Substraten Die Reinigung von LSA-Substraten stellt den Anwender vor die Problematik, Laserrückstände von der strukturierten Kupferoberfläche und aus den Strukturierungsgräben zu entfernen. Bei unzureichender Reinigung kommt es während der anschließenden Nickel- Gold-Beschichtung zur Kurzschlussbildung zwischen den leitenden Strukturen und somit zum Ausfall. Anforderungen an die Reinigungsverfahren sind dabei: Cu-Oberfläche darf für die folgende Beschichtungsprozesse nicht passiviert werden Kleinste Leiterbahnstrukturen dürfen nicht beschädigt werden Laserablationsrückstände (Debris) müssen vollständig entfernt werden Dazu wurden im Rahmen dieses Vorhaben zwei Reinigungsverfahren näher untersucht auf die in diesem Kapitel näher eingegangen werden soll. 4.1 Nasschemische Reinigung Bei der Nasschemischen Reinigung werden die Substrate in einem wässrigen Reinigungsmedium unterstützt durch Ultraschall und Temperatur gereinigt. Folgende Einflussfaktoren wurden untersucht: Reinigungsmedium Temperatur Prozessdauer 14

16 Ausfälle [Stck.] Untersuchungen zum Einfluss von Reiniger und Temperatur Für die Auswahl eines geeigneten Reinigungsmediums für die LSA-Technologie hatte anfangs die Fa. SurTec Deutschland GmbH einen Vorversuch (Abbildung 10) durchgeführt. Es wurde pro Reiniger und Temperatur jeweils ein Pyramidenstumpf prozessiert. Vorversuch bei Fa. Surtec Ultraschall: 40KHz Prozessdauer: 3min 4 Vol.% Surtec Vol.% Surtec 131 0,5 Vol.% Surtec Vol.% Surtec 132 0,5 Vol.% Surtec 089 2,5 Vol.% Surtec 472 0,5 Vol.% Surtec C 60 C 70 C 50 C 60 C 70 C 50 C 60 C 70 C 50 C 60 C 70 C Abbildung 10: Versuchsplan zum Einfluss von Reiniger und Temperatur (Fa. SurTec Deutschland GmbH) Nach dem Reinigen wurden alle Substrate (12 Stück) bei HSG-IMAT in einem Los metallisiert und untersucht. Die Ergebnisse aus diesem Vorversuch sind in Diagramm 1 dargestellt. Da je Parameter nur ein Pyramidenstumpf untersucht wurde, können maximal 6 Kurzschlüsse detektiert werden, so dass 3 Kurzschlüsse 50% Ausfall bedeuten Entspricht 100% Vol% ST 131 0,5 Vol.% ST089 Anzahl zu geringer Isolationswiderstände 2 Vol% ST 132 0,5 Vol.% ST089 Reiniger Vol% ST 026 2,5 Vol% ST 472 0,5 Vol.% ST C 60 C 70 C Diagramm 1: Ergebnisse Kurzschlussprüfung aus Vorversuch zum Einfluss von Reiniger und Temperatur 15

17 Ausfälle [Stck.] Das Ergebnis des Vorversuchs zeigt: keine signifikanten Unterschiede zwischen den untersuchten Reinigern niedrigste untersuchte Temperatur (50 C) weist tendenziell das beste Reinigungsergebnis auf. Da zwischen den untersuchten Reinigern der Fa. Surtec keine signifikanten Unterschiede beobachtet wurden und der Reiniger Surtec 026 auch für den LDS-Prozess geeignet ist, wurde dieses Produkt der Fa. Surtec in die weiteren Untersuchungen einbezogen. Weitere Untersuchungen wurden mit Produkten verschiedener Hersteller durchgeführt. Die Prozessparameter und Produkte sind in Abbildung 11 dargestellt. Vorversuch im Becherglas Ultraschallparameter : 40KHz-95KHz Wobblefrequenz, ca. 50W/l Konstante Prozesstemperatur: 40 C Konstante Prozessdauer : 3min 5 Vol.% Tickopur RW77 4 Vol.% Surtec Vol.% Electroposit PC Cleaner (Fa. Rohm & Haas) Abbildung 11: Versuchsplan zum Einfluss des Reiniger Es wurden drei Lose gereinigt, metallisiert (5 Bauteile pro Los und Variante, d.h. insgesamt 45 St.) und auf Kurzschluss geprüft (Diagramm 2). 90 Entspricht 100% Anzahl zu geringer Isolationswiderstände Vol.% Tickopur RW 77 4 Vol.% Surtec Vol.% Electroposit PC Cleaner Reiniger nach Laser nach Reinigung nach Ni/ Au Diagramm 2: Ergebnisse Kurzschlussprüfung aus Versuch zum Einfluss des Reinigers 16

18 Folgende Ergebnisse lassen sich aus Diagramm 2 ableiten: Tickopur RW 77 zeigt tendenziell schlechteste Reinigungswirkung von den untersuchten Reinigern Electroposit PC Cleaner und Surtec 026 zeigen vergleichbare Reinigungsergebnisse Weitere Untersuchungen zur nasschemischen Reinigung von LSA-Substraten erfolgen mit Surtec Untersuchungen zum Einfluss einer Laserreinigung und der Temperatur des Reinigers Bei den bisher untersuchten LSA-Substraten wurde nach der Strukturierung immer eine zusätzliche Laserreinigung durchgeführt. Diese Laserreinigung erfolgt direkt nach der Strukturierung der Cu-Oberfläche. Dabei erfolgt über den bereits strukturierten Bereich eine weitere Laserüberfahrt, wobei die Verfahrgeschwindigkeit des Lasers um ein Vielfaches erhöht wird. Dies hat zur Folge, dass weniger Energie in die Oberfläche eingetragen wird und somit lediglich ein Abtrag von Ablationsrückständen in den Isolationsbereichen stattfindet. Hierzu wurde folgender Versuch durchgeführt (Abbildung 12), wobei jeweils noch die Temperatur des nasschemischen Reinigers variiert wurde. Ultraschallparameter : Multifrequenz (40kHz, 80kHz,120kHz) Konstante Prozessdauer : 3 x 2min Mit Laserreinigung Ohne Laserreinigung 40 C 55 C 70 C 40 C 55 C 70 C Abbildung 12: Versuchsplan zum Einfluss von Laserreinigung und Temperatur des Reinigers Es wurde ein Los gereinigt, metallisiert (4 Bauteile pro Los und Variation d.h. insgesamt 24 St.) und auf Kurzschluss geprüft (Diagramm 3). 17

19 Entspricht 100% Diagramm 3: Ergebnisse Kurzschlussprüfung eines Versuchs zur Laserreinigen Folgende Ergebnisse lassen sich aus Diagramm 3 ableiten: keine signifikanten Unterschiede zwischen den untersuchten Temperaturen des Reinigers Deutliche Verbesserung der Reinigung durch die zusätzliche Laserreinigung Weitere Untersuchungen zur nasschemischen Reinigung von LSA-Substraten erfolgen mit Surtec 026 und Laserreinigung. In einem weiteren Versuch wurde die Prozesszeit der nasschemischen Reinigung erhöht (Abbildung 13). Ultraschallparameter : Multifrequenz (40kHz, 80kHz,120kHz) Konstante Prozessdauer : 3 x 3min Mit Laserreinigung 40 C 55 C 70 C Abbildung 13:Versuchsplan zum Einfluss von Prozessdauer und Temperatur des Reinigers Es wurde drei Lose gereinigt, metallisiert (4 Bauteile pro Los und Variation d.h. insgesamt 72 St.) und auf Kurzschluss geprüft (Diagramm 4). 18

20 Ausfälle [Stck.] 78 Anzahl zu zu geringer Isolationswiderstände Entspricht 100% C 55 C 70 C Temperatur 9 Diagramm 4: Ergebnisse Kurzschlussprüfung aus Versuch mit erhöhter Prozesszeit und verschiedenen Temperaturen des Reinigers In Diagramm 4 erkennt man, dass das beste Ergebnis bei einer Temperatur des Reinigers von 70 C erzielt wurde. Wahrscheinlich dominiert bei längerer Reinigungszeit die chemische Reinigung gegenüber der mechanischen Reinigung infolge der Ultraschalleinwirkung. 19

21 4.2 CO 2 -Schneestrahreinigung Bei diesem Reinigungsverfahren werden kleine CO 2 -Schneekristalle durch einen geführten Druckluftstrahl auf das Substrat beschleunigt. Auf der Substratoberfläche erfolgt eine Reinigung durch folgende Mechanismen: Impulsübertragung durch CO 2 -Schneekristalle Thermospannungen Sublimationsimpuls Spülung durch fache Volumenzunahme beim Verdampfen (Sublimation) Lösungsmitteleffekt durch Änderung des Aggregatzustands bei Auftreffen auf die Oberfläche. Superkritisches CO 2 ist von der Lösungsmittelkraft vergleichbar mit Cyclohexan Abbildung 14: CO 2 -Schneestrahlreinigungsanlage am HSG-IMAT 20

22 Ausfälle [Stck.] Untersuchungen zum Einfluss von Druck, Reinigungspitch und Verfahrgeschwindigkeit In Abbildung 15 sind die untersuchten Einflussgrößen und Parameter dargestellt. Düsenabstand: 50mm Druck 3bar Druck 6bar Pitch 5mm Pitch 10mm Pitch 5mm Pitch 10mm v 40mm /s v 60mm /s v 80mm /s v 40mm /s v 60mm /s v 80mm /s v 40mm /s v 60mm /s v 80mm /s v 40mm /s v 60mm /s v 80mm /s Abbildung 15: Versuchsplan zu Einfluss von Druck, Reinigungspitsch und Verfahrgeschwindigkeit Es wurde ein Los gereinigt, metallisiert (5 Bauteile pro Los und Variation d.h. insgesamt 60 St.) und auf Kurzschluss geprüft (Diagramm 5). Anzahl zu geringer Isolationswiderstände Entspricht 100% Druck, Pitch, Verfahrgeschwindigkeit Diagramm 5: Ergebnisse Kurzschlussprüfung aus Versuch zur CO 2 Schneestrahlreinigung Die Ergebnisse in Diagramm 5 zeigen, dass sich die CO 2 -Schneestrahlreinigung nicht für die Reinigung von LSA-Substraten eignet. Die Reinigungswirkung kann auch nicht mehr signifikant verstärkt werden, da bereits mit maximal möglichem Druck prozessiert wurde. Ein weiterer Versuch mit kleineren Kapillardurchmessern von 200µm, 250µm, 300µm und 350µm zeigte auch keine Verbesserung der Reinigung. 21

23 4.3 Zusammenfassung der Ergebnisse Chemie des nasschemischen Reinigers hat geringeren Einfluss als erwartet. Temperatur beeinflusst Reinigungswirkung: - Chemische Prozesse werden durch höhere Temperatur begünstigt - Einfluss des Ultraschalls wird bei höherer Temperatur verringert Längere Prozesszeit verbessert nasschemische Reinigung. Laserreinigung durch weitere Laserüberfahrt mit stark erhöhter Geschwindigkeit nach der Laserstrukturierung führt zu deutlicher Verbesserung. Hohe Ausbeute vor allem bei der Reinigung von 2D-Strukturen mit Pitches von 160µm auf 3D-Substraten. CO 2 -Schneestrahlreinigung eignet sich nicht als alleiniges Reinigungsverfahren. 5 Untersuchungen zur Reinigung von LDS-Substraten Die Reinigung von LDS-Substraten stellt den Anwender vor die Problematik, Laserrückstände von dem strukturierten Bauteil zu entfernen ohne die für den nachfolgenden Metallisierungsprozess notwendigen Keime, welche bei der Laserstrukturierung aktiviert werden, zu passivieren. Bei unzureichender Reinigung kommt es während der aussenstromlosen Kupfer/Nickel/Gold-Beschichtung zur Kurzschlussbildung zwischen den Leiterbahnen und somit zum Ausfall. Bei zu intensiver Reinigung besteht die Gefahr, dass die katalytischen Keime im Kupferelektrolyten nicht mehr anspringen und die Leiterbahnen Unterbrechungen aufweisen, welche ebenfalls zum Ausfall führen. Dies stellt besonders bei feinen Strukturen eine große Herausforderung dar. Dazu wurden im Rahmen dieses Vorhabens drei Reinigungsverfahren untersucht, auf die in diesem Kapitel näher eingegangen werden soll. 5.1 Nasschemische Reinigung Bei der Nasschemischen Reinigung werden die laserstrukturierten Substrate in einem wässrigen Reinigungsmedium bei erhöhter Temperatur unterstützt durch Ultraschall gereinigt. Folgende Einflussfaktoren wurden untersucht: Reinigungsmedium in Zusammenhang mit dem Substratwerkstoff Ultraschallfrequenzen Temperatur Prozessdauer Prozessierung mit Gestell oder Trommel 22

24 5.1.1 Vorversuche zur Auswahl von Werkstoff und Reiniger Da aufgrund der Vielzahl von Einflussgrößen ein sehr umfangreicher Versuchsraum aufgespannt wird, wurde mit einer ersten Versuchsreihe der Substratwerkstoff für die weiteren Versuche festgelegt. Weiterhin wurden verschiedene Reiniger auf ihre grundsätzliche Eignung untersucht (Abbildung 16). Multifrequenzultraschall (40KHz-95KHz Wobblefrequenz ca. 50W/l) Konstante Prozessdauer: 3min Prozesstemperatur: 50 C LCP Vectra E840i LDS PBT Pocan DP7102 LDS PA6/6T Ultramid T4381 LDS R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 Abbildung 16: Versuchsplan zum Einfluss von Substratwerkstoff und Reiniger Es wurde ein Los gereinigt, metallisiert und charakterisiert (6 Bauteile pro Werkstoff und Medium, d.h. insgesamt 144 St.). Die untersuchten Reiniger und deren ph-wert sind in Tabelle 5 dargestellt. Reinigungsmedium ph-wert R1 Mucasol 12 R2 Vigon 1000CR 7 R3 Surtec101 8 R4 Surtec026 3 R5 Enthone CL R6 Enthone CL R7 Ronaclean R8 Ronaclean Tabelle 5: Untersuchte Reiniger Die Versuche erfolgten auf ebenen Substraten mit dem in Abbildung 17 dargestelltem Layout. 23

25 1 Mäander 2 Kämme Pitch 200µm (100/100) Mäanderlänge ca. 75cm Isolationslänge ca. 150cm Abbildung 17: Layout ebenes Substrat Der Versuchsablauf gestaltete sich wie folgt: Reinigung aller Substrate im jeweiligen Medium (Becherglas Tischultraschallgerät) Gleichzeitige Beschichtung aller Substrate mit aussenstromlos Kupfer Messen der Schichtdicken (Fischerscope X-Ray XDVM -µ) Elektrische Charakterisierung (Messung der Mäanderwiderstände mittels 4-Leiter- Messungen) Gleichzeitige Beschichtung aller Substrate mit aussenstromlos Nickel sowie Flashgold Elektrische Charakterisierung (Kurzschlussprüfung mittels 2-Leiter-Messung) Nach der Messung der Mäanderwiderstände mit einem manuellen Spitzenmessplatz konnten, wie in Diagramm 6 zu sehen ist, die Reiniger Surtec101, Enthone CL 300 und Ronaclean 202 aufgrund starker Passivierung der Substrate, was durch einen hohen Mäanderwiderstand und eine geringe Cu-Schichtdicke ersichtlich ist, für weitere Versuche ausgeschlossen werden. In dem Diagramm 6 ist weiterhin ersichtlich das die Reiniger auf verschiedene Substratwerkstoffe unterschiedliche passivierende Wirkung haben. Betrachtet man zum Beispiel den Reiniger Ronaclean 202, ist deutlich erkennbar, dass nur die Substratwerkstoffe PBT Pocan DP7102 LDS und PA6/6T Ultramid T4381 LDS hohe Mäanderwiderstände und geringe Cu-Schichtdicken aufweisen. 24

26 Diagramm 6: Gemessene Mäanderwiderstände und Kupferschichtdicken in Abhängigkeit vom Substratwerkstoff Aufgrund der in Diagramm 7 dargestellten Ergebnisse der Kurzschlussprüfung wurden die Reiniger Mucasol und Ronaclean 201 aus dem weiteren Versuchsprogramm genommen. Entspricht 100% Diagramm 7: Ergebnis Kurzschlussprüfung, in Abhängigkeit vom Substratwerkstoff und Reiniger Weiterhin ist in Diagramm 7 ersichtlich, dass bei dem Werkstoff LCP Vectra E840i LDS bei verschiedenen untersuchten Reinigern die meisten Kurzschlüsse auftreten, so dass die grundlegenden Versuche zum Einfluss von Ultraschallfrequenzen, Temperatur und Prozessdauer sowie zum Einfluss der Prozesssierung mit Gestell und Trommel an diesem Werkstoff untersucht wurden. 25

27 Bei lichtmikroskopischen Untersuchungen wurden bei Substraten aus LCP Vectra E840i LDS lokale Auffaserungen der Oberfläche beobachtet, welche zur Fremdmetallisierung und Kurzschlussbildung führen können (siehe Abbildung 18). Abbildung 18: LCP gereinigt in Surtec 026 nach der Beschichtung mit Cu/Ni/Au Daher wurden bei der Firma SurTec Deutschland GmbH weitere Untersuchungen durchgeführt. Im ersten Schritt wurden die LCP-Substrate unterschiedlich lange bei unterschiedlichen Temperaturen im Reiniger Surtec026 (4Vol.%) bzw. Surtec 025 (3Vol.%) mit Ultraschall behandelt und anschließend mit dem REM untersucht. In Abbildung 19 bis Abbildung 22 ist zu erkennen, dass in dem Reiniger Surtec 026 bei kurzer Prozesszeit und geringer Temperatur sowie langer Prozesszeit und hoher Temperatur kaum eine Veränderung der Substratoberfläche stattfindet. Bei der Probe die mit dem Reiniger Surtec 025 gereinigt wurde ist hingegen eine sehr starke Faserbildung ersichtlich. In einer zweiten Versuchsreihe wurden die Substrate zwischen 1 bis 4 Minuten bei 50 C, 60 C und 70 C im Surtec 026 mit Ultraschall prozessiert. 26

28 Abbildung 19: REM-Aufnahme unbehandelte Kunststoffoberfläche Abbildung 20: REM-Aufnahme der Kunststoffoberfläche nach Behandlung (30 s, 50 C, 40 khz, 4 Vol % ST 026) Abbildung 21: REM-Aufnahme der Kunststoffoberfläche nach Behandlung (4 min, 50 C, 40 khz, 4 Vol % ST 026) Abbildung 22: REM-Aufnahme der Kunststoffoberfläche nach Behandlung (4 min, 60 C, 40 khz 3 Vol % ST 025) Abbildung 23 bis Abbildung 26 zeigen, dass die stärkste Veränderung der Substratoberfläche bei der geringsten Temperatur von 50 C stattfand. Bei einem weiteren Versuch, bei dem die Proben 4min lang bei 50 C, 60 C und 70 C ohne Ultraschall im Reiniger Surtec 026 prozessiert wurden, konnte keine Veränderung der Oberfläche detektiert werden. Diese Ergebnisse lassen die Vermutung zu, dass die Faserbildung auf der Substratoberfläche aufgrund zu starker Ultraschalleinwirkung stattfindet. Weiterhin kann daraus abgeleitet werden, dass die Ultraschalleinwirkung mit steigender Temperatur abnimmt. 27

29 Abbildung 23: REM-Aufnahme der Kunststoffoberfläche nach Behandlung (1 min, 50 C, 40 khz, 4 Vol% ST 026) Abbildung 24: REM-Aufnahme der Kunststoffoberfläche nach Behandlung (4 min, 50 C, 40 khz, 4 Vol% ST 026) Abbildung 25: REM-Aufnahme der Kunststoffoberfläche nach Behandlung (1 min, 70 C, 40 khz, 4 Vol% ST 026) Abbildung 26: REM-Aufnahme der Kunststoffoberfläche nach Behandlung (4 min, 70 C, 40 khz, 4 Vol% ST 026) In einem weiteren Versuch sollte aus den drei grundsätzlich geeigneten Reinigern ein Reiniger für die folgenden Versuche ausgewählt werden. Diese Versuche wurden mit dreidimensionalen Pyramidenstümpfen aus LCP Vectra E840i LDS durchgeführt. 28

30 Multifrequenzultraschall (40KHz-95KHz Wobblefrequenz ca. 50W/l) Konstante Prozessdauer: 3min Prozesstemperatur: 60 C LCP Vectra E840i LDS Vigon 1000 CR Surtec 026 Enthone 100 CL Abbildung 27: Versuchsplan zum Einfluss des Reinigers Es wurden drei Lose gereinigt metallisiert und charakterisiert (15 Bauteile pro Los und Medium, d.h. insgesamt 135 St.). Pro Los und Medium wurden 15 Substrate prozessiert: 5 Bauteile mit Strukturpitch 150µm 5 Bauteile mit Strukturpitch 250µm 5 Bauteile mit Strukturpitch 300µm In dem Diagramm 8 sind die Quotienten aus dem gemessenen Widerstand zu dem festgelegten Grenzwiderstand für alle Pyramidenstümpfe mit einem 150µm Strukturpitch dieser Versuchsreihe dargestellt. Diagramm 8: Einzelwerte Mäanderwiderstand in Abhängigkeit vom eingesetzten Reiniger (Strukturpitch 150µm) Es wird ersichtlich, dass bei den Losen 1 und 3 zwischen den Reinigern Surtec 026 und Vigon 1000CR keine signifikanten Unterschiede bestehen. Es ist deutlich zu erkennen, dass 29

31 der Reiniger Enthone CL 100 stärker passivierend wirkt als die anderen beiden. In Los 2 sind höhere Mäanderwiderstände zu erkennen. Betrachtet man aber die in Diagramm 9 dargestellten Schichtdicken wird ersichtlich, dass im Los 2 eine tendenziell dünnere Cu- Schichtdicke als bei Los 1 und Los 3 abgeschieden wurde. Dargestellt ist der jeweilige Mittelwert von 3 Messwerten und die Standardabweichung. Diagramm 9: Mittelwert der Cu-Schichtdicke in Abhängigkeit vom eingesetzten Reiniger (Strukturpitch 150µm) Betrachtet man nun die Schichtdicken der mit Surtech 26 gereinigten Proben aus Los 2 wird ersichtlich, dass diese zwischen 6µm und 7µm liegt. Dabei fällt auf, dass in diesem Cu- Schichtdickenbereich die Ausfallwahrscheinlichkeit der Mäander stark zunimmt. Aus diesem Grund wurde für alle weiteren Versuche eine abzuscheidende Cu-Schichtdicke von 10 ± 3µm festgelegt. In Diagramm 10 (Los 1,2 und 3) und Diagramm 11 (Los 1 und 3) sind die Ergebnisse nach der elektrischen Charakterisierung zusammengefasst. 30

32 Entspricht 100% Entspricht 100% Diagramm 10: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung (Los 1,2 und 3) Diagramm 11: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung (Los 1 und 3) Entspricht 100% Diagramm 12: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Los 1 und 3) Betrachtet man die Ergebnisse der mit Enthone 100 CL gereinigten Proben in Diagramm 11 und Diagramm 12, dann wird ersichtlich, dass die Vielzahl der Unterbrechungen nach der Cu-Beschichtung nicht mehr nachweisbar sind und wie wichtig die Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Strukturen bereits nach der Cu-Beschichtung ist. Bei den mit Enthone 100 CL gereinigten Proben ist die Kupferschicht nicht völlig dicht, so dass die elektrische Leitung teilweise durch die Nickelschicht erfolgt. Da diese Kupferfehlstellen sehr klein sind, ist bei der 31

33 Widerstandsmessung nach der Nickel/Gold-Beschichtung nicht mehr feststellbar, ob die Leiterbahn bereits nach der Kupferabscheidung dicht war oder nicht. Eine solche Cu-Schicht kann vor allem bei einer thermomechanischen Beanspruchung des Bauteils zu einer Rissbildung führen. Die in Diagramm 12 erkennbaren Ausfälle bei den mit Vigon 1000 CR bzw. mit Surtec 026 gereinigten Proben lassen sich, wie in Abbildung 28 zu sehen, auf Abschattungen bei der Laserstrukturierung zurückführen. Surtec 026 gereinigt Surtec 026 gereinigt Vigon 1000 CR gereinigt Abbildung 28: Unterbrechungen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung Bei der Betrachtung der in Diagramm 13 und Diagramm 14 dargestellten Ergebnisse der Kurzschlussprüfung ist festzustellen, dass lediglich bei den Substraten mit einem Strukturpitch von 150µm Kurzschlüsse vorhanden sind. Entspricht 100% Entspricht 100% Diagramm 13: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au- Beschichtung (Los 1,2 und 3) Diagramm 14: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au- Beschichtung (Los 1 und 3) Das Ergebnis zeigt, dass die Proben welche mit dem Reiniger Vigon 1000 CR gereinigt wurden geringfügig mehr Kurzschlüsse aufweisen. Aufgrund der in Kapitel dargestellten Ergebnisse der Vorversuche, werden die folgenden Untersuchungen an 32

34 Substraten aus dem Werkstoff LCP Vectra E840i LDS (im folgenden LCP genannt) mit dem Reiniger Surtec 026 (im folgenden Surtec genannt) durchgeführt Untersuchungen zum Einfluss der Ultraschallfrequenz und Warenträger Die Untersuchungen wurden mit einem Ultraschallbecken durchgeführt, welches mit den Frequenzen 40kHz, 80kHz und 120kHz betrieben werden kann. Der Aufbau der Schwinger ist so gestaltet, dass jeder eingebaute Schwinger alle drei aufgeführten Frequenzen umsetzen kann. Dies hat zur Folge, dass immer nur eine Frequenz aktiv ist und nicht alle drei Frequenzen zusammen betrieben werden können. Dadurch ist eine homogene Schallverteilung im Becken gewährleistet. Wenn im Folgenden von Multifrequenz die Rede ist bedeutet dies für den Reinigungsprozess beispielsweise: 3 x 2min Multifrequenz: 1. 2min mit 40kHz 2. 2min mit 80kHz 3. 2min mit 120kHz Da das Gestell bzw. die Trommel aufgrund von Abschattungseffekten des Ultraschalls oder Beeinflussung der Strömungsverhältnisse einen erheblichen Einfluss auf die Reinigungswirkung hat, sollten in Zusammenhang mit den unterschiedlichen Ultraschallfrequenzen auch der Einfluss des Gestells bzw. der Trommel untersucht werden. Dazu wurde der in Abbildung 29 aufgezeigte Versuchsplan umgesetzt. Weiterführende Untersuchungen in der Metallisierungslinie Reinigungsmedium: Surtec 026 Konstante Prozessdauer: 3min Temperatur: 60 C Reinigung und Metallisierung in der Trommel Reinigung und Metallisierung im Gestell Ultraschallfrequenz 40 KHz Ultraschallfrequenz 80 KHz Ultraschallfrequenz 120 KHz Kombination aus allen drei Frequenzen Ultraschallfrequenz 40 KHz Ultraschallfrequenz 80 KHz Ultraschallfrequenz 120 KHz Kombination aus allen drei Frequenzen Abbildung 29: Versuchsplan zum Einfluss der Ultraschallfrequenz und Gestell bzw. Trommel Es wurden drei Lose gereinigt metallisiert und charakterisiert (15 Bauteile (5 je Strukturpitch) pro Los und Medium, d.h. insgesamt 360 St.). Die Reinigungszeit betrug bei allen Versuchen 3min. Dies bedeutet, dass die Proben entweder 3min mit 40kHz, 3min mit 80kHz, 3min mit 120kHz oder 3 x 1min mit Multifrequenz gereinigt wurden. 33

35 In Diagramm 15 und Diagramm 16 sind die Ergebnisse der elektrischen Charakterisierung nach Reinigung und Metallisierung im Gestell dargestellt. Entspricht 100% Diagramm 15: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu-Beschichtung (Los 1,2 und 3) Bei der Betrachtung der Durchgangsprüfung der Mäander gibt es, wie in Diagramm 15 zu sehen, keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Frequenzen. Betrachtet man die in Diagramm 16 dargestellten Ergebnisse der Kurzschlussprüfung, ist sehr deutlich zu erkennen, dass die Reinigung mit allen drei Frequenzen die besten Ergebnisse zeigt. Entspricht 100% Diagramm 16: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Los 1,2 und 3) 34

36 In Diagramm 17 und Diagramm 18 sind die Ergebnisse der elektrischen Charakterisierung nach Reinigung und Metallisierung in der Trommel dargestellt. Entspricht 100% Diagramm 17: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu-Beschichtung (Los 1und 2) Entspricht 100% Diagramm 18: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Los 1und 2) Wie in Diagramm 17 ersichtlich zeigen Substrate mit einem Strukturpitch von 150µm bei der Reinigung und Metallisierung in der Trommel eine erhebliche Anzahl an Unterbrechungen im Mäander unabhängig von der eingesetzten Ultraschallfrequenz. In Abbildung 30 ist deutlich zu erkennen, dass es im Bereich der Radien von der Pyramidenoberfläche zu deren Schrägen zu einem starken Abrieb kommt. Dies führt bei den Substraten mit 150µm 35

37 Strukturpitch zu Unterbrechungen und somit zum Ausfall. Diese Effekte sind auch bei den Substraten mit größeren Pitches zu erkennen, führen dort aber nicht zu Unterbrechungen. Abbildung 30: Lichtmikroskopische Aufnahmen, von in Trommel gereinigten und metallisierten Substraten nach der Cu-Beschichtung Weiterhin kommt es durch den Abrieb auch zu einem starken Anstieg von Kurzschlüssen auf den Substraten (Diagramm 18). 36

38 5.1.3 Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur (Kreuzversuch mit Trommel und Gestell) In dieser Versuchsreihe sollten der Einfluss von Temperatur und Substrathalterung untersucht werden. Da nicht bekannt war, welcher Prozessschritt (Reinigen in der Trommel oder Metallisieren in der Trommel) für den Abrieb verantwortlich ist, wurde ein in Abbildung 31 dargestellter Kreuzversuch durchgeführt. Weiterführende Untersuchungen in der Metallisierungslinie Reinigungsmedium: Surtec 026 Ultraschallparameter: Multifrequenz Reinigung in der Trommel Reinigung im Gestell Temperatur Temperatur Temperatur Temperatur Temperatur Temperatur 40 C 60 C 80 C 40 C 60 C 80 C Metallisierung in der Trommel 2 Metallisierung im Gestell Abbildung 31: Versuchsplan zum Einfluss von Temperatur und Gestell bzw. Trommel Es wurden drei Lose gereinigt metallisiert und charakterisiert (15 Bauteile (5 je Strukturpitch) pro Los und Medium, d.h. insgesamt 540 St.). Im Diagramm 19 und Diagramm 20 stehen folgende Abkürzungen für folgende Prozesse: GS/ GS = Reinigung im Gestell/ Metallisierung im Gestell GS/ TR = Reinigung im Gestell/ Metallisierung in der Trommel TR/ GS = Reinigung in der Trommel/ Metallisierung im Gestell TR/ TR = Reinigung in der Trommel/ Metallisierung in der Trommel Die Reinigung der Substrate in der Trommel konnte anlagenbedingt nicht bei 80 C erfolgen. 37

39 Entspricht 100% Diagramm 19: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu-Beschichtung (Los 1,2 und 3) Bei der Anzahl der Unterbrechungen haben die in der Trommel metallisierten Substrate tendenziell mehr Ausfälle als die Substrate, welche auf dem Gestell metallisiert wurden. Betrachtet man die auf dem Gestell metallisierten Proben gibt es bei der Anzahl an Unterbrechungen keine signifikanten Unterschiede zwischen den in der Trommel bzw. den im Gestell gereinigten Substraten. Entspricht 100% Diagramm 20: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Los 1,2 und 3) 38

40 Betrachtet man nun zusätzlich die Ergebnisse aus den Kurzschlussmessungen, ergibt sich hinsichtlich der Zuverlässigkeit folgende Reihenfolge der Prozesse (Reinigungstemperatur 60 C): 1. GS/ GS = Reinigung im Gestell/ Metallisierung im Gestell 2. TR/ GS = Reinigung in der Trommel/ Metallisierung im Gestell 3. GS/ TR = Reinigung im Gestell/ Metallisierung in der Trommel 4. TR/ TR = Reinigung in der Trommel/ Metallisierung in der Trommel Daraus folgt, dass der Metallisierungsprozess in der Trommel kritischer als der Reinigungsprozess in der Trommel ist. Alle weiteren Untersuchungen erfolgen daher mit dem Gestellprozess Untersuchungen zum Einfluss der Badumwälzung und Substratwerkstoff Bei dieser Versuchsreihe sollten alle drei Substratwerkstoffe (LCP Vectra E840i LDS, PA6/6T Ultramid T4381 LDS, PBT Pocan DP7102 LDS) mit den Reinigern Vigon 1000 CR und Surtec 026 sowie den in Kapitel bis Kapitel gewonnenen neuen Erkenntnissen hinsichtlich Temperatur, Frequenz etc. untersucht werden. Spezielles Augenmerk sollte dabei auf feinste Strukturpitches gelegt werden. Aus diesem Grund wurden für diese Versuchsreihe Pyramidenstümpfe mit 150µm Strukturpitch und ebene Plattensubstrate mit 120µm Strukturpitch mit einer Laserlinie strukturiert sowie ebene Plattensubstrate mit 120µm Strukturpitch mit zwei Laserlinien strukturiert. Weiterhin wurde der Einfluss der Badumwälzung während der Ultraschallreinigung untersucht. Es wurde vermutet, dass eine starke Badumwälzung ein schlechteres Reinigungsergebnis zur Folge hat, da eine zu starke Strömung im Medium zum Abreißen der Schallwelle führt und diese dadurch immer wieder neu aufgebaut werden muss, was zu einer schlechteren Reinigung durch den Ultraschall führt. Temperatur: 60 C Ultraschallparameter: Multifrequenz Prozessdauer : 3 x 1min Vigon 1000 CR Surtec 026 LCP PA6 / 6T PBT LCP PA6 / 6T PBT MU OU MU OU MU OU MU OU MU OU MU OU MU: Mit Umwälzung OU: Ohne Umwälzung Abbildung 32: Versuchsplan zum Einfluss von Reiniger, Badumwälzung und Substratwerkstoff Es wurden drei Lose gereinigt metallisiert und charakterisiert (15 Bauteile pro Los und Medium, d.h. insgesamt 540 St.). 39

41 Folgende Substrate pro Los und Medium wurden untersucht: 5 Pyramidenstümpfe mit Strukturpitch 150µm 5 Platten mit Strukturpitch 120µm (eine Laserlinie) 5 Platten mit Strukturpitch 120µm (zwei Laserlinien) Abbildung 33: Laserlayout für ebenes Plattensubstrat mit 120µm Strukturpitch In der Abbildung 33 ist das verwendete Layout und die Abmessungen der ebenen Plattensubstrate zu sehen. Bei der Strukturierung mit einer Laserlinie wurden die Leiterbahnen mit nur einer Laserüberfahrt erzeugt. Bei der Strukturierung mit zwei Laserlinien werden die Leiterbahnen mit zwei Laserüberfahrten erzeugt. Dabei erfolgt die zweite Überfahrt in einem definierten Abstand (Querpitch) zur ersten Überfahrt (siehe Abbildung 34). Abbildung 34: Strukturierungsvarianten mit einer bzw. zwei Laserlinien 40

42 Bei den Pyramidenstümpfen kam es, wie in Diagramm 21 ersichtlich, zu sehr vielen Unterbrechungen (50% bis 100%) in der Mäanderstruktur. Damit wurde eine Auswertung der Kurzschlüsse unmöglich, da mit einer nicht leitfähigen Struktur auch keine Kurzschlüsse gemessen werden können. Entspricht 100% Diagramm 21: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu-Beschichtung (Strukturpitch 150µm) Um eventuelle Einflüsse der Lage des Mäanders auf dem Substrat auf das Reinigungsergebnis erkennen zu können wurde im Folgenden eine Auswertung bezogen auf die verschiedenen Mäander durchgeführt. Die Lage der verschiedenen Mäander auf dem Substrat ist in Abbildung 35 verzeichnet. M1 M2 M3 M5 M6 M4 Abbildung 35: Lage der Mäander auf dem Pyramidenstumpf 41

43 In dem Diagramm 22 bis Diagramm 27 sind die Ergebnisse der Mäanderwiderstände nach der Cu-Beschichtung sowie der Kurzschlussprüfung nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung der Pyramidenstümpfe aus den drei untersuchten Werkstoffen dargestellt. Bei der Interpretation der Ergebnisse ist darauf zu achten, dass sich Mäander mit Unterbrechungen nicht mehr für die Kurzschlussmessungen eignen, also bei der Auswertung der Kurzschlüsse heraus gerechnet werden müssen. Beispiel aus Diagramm 22: Bei Mäander M1 gereinigt mit Surtec 026 mit Umwälzung haben 9 von insgesamt 15 Mäandern Unterbrechungen. Dies bedeutet das 6 Mäander leitfähig sind. Es können pro Mäander maximal zwei Kurzschlüsse gemessen werden (zwischen Mäander und Kamm 1 sowie zwischen Mäander und Kamm 2). Für das Beispiel bedeutet dies, dass theoretisch maximal 12 Kurzschlüsse gemessen werden können. Noch mehr Kurzschlüsse können gemessen werden, wenn diese vor der Unterbrechung im Mäander liegen. Somit ist es möglich, dass bei 11 defekten von insgesamt 15 Mäandern noch 18 Kurzschlüsse gemessen wurden (M5 gereinigt mit Vigon 1000 CR und Umwälzung). Diagramm 22: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung (LCP, Strukturpitch 150µm) Diagramm 23: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (LCP, Strukturpitch 150µm) 42

44 Diagramm 24: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung (PA6/6T, Strukturpitch 150µm) Diagramm 25: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (PA6/6T, Strukturpitch 150µm) Diagramm 26: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung (PBT, Strukturpitch 150µm) Diagramm 27: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (PBT, Strukturpitch 150µm) 43

45 Bei der Betrachtung der in Diagramm 28 und Diagramm 29 dargestellten Ergebnisse der ebenen Plattensubstrate lässt sich lediglich die Aussage machen, dass die Strukturierung mit zwei Laserlinien die Anzahl der Unterbrechungen bei den Substratwerkstoffen LCP Vectra E840i LDS und PBT Pocan DP7102 LDS aufgrund breiterer Leiterbahnen erheblich reduziert. Die Anzahl der Kurzschlüsse haben sich jedoch bedingt durch die Reduzierung der Leiterbahnabstände erhöht (siehe Abbildung 36). Diagramm 28: Elektrische Charakterisierung der ebenen Plattensubstrate nach der Cu-Beschichtung (Strukturpitch 120µm) Diagramm 29: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Strukturpitch 120µm) 44

46 Abbildung 36: Lichtmikroskopische Aufnahmen der ebenen Plattensubstrate nach der Cu-Beschichtung (Strukturpitch 120µm) Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass die nasschemische Reinigung von LDS-Substraten bei einem Strukturpitch von 150µm an ihre Grenzen stößt. Um aber eine Aussage über die Einflüsse der untersuchten Parameter machen zu können, wurde der in Abbildung 37 dargestellte Versuchsplan mit Pyramidenstümpfen und einem Strukturpitch von 250µm wiederholt. Temperatur: 60 C Ultraschallparameter: Multifrequenz Prozessdauer : 3 x 1min Vigon 1000 CR Surtec 026 LCP PA6 / 6T PBT LCP PA6 / 6T PBT MU OU MU OU MU OU MU OU MU OU MU OU Abbildung 37: Versuchsplan zum Einfluss von Reiniger, Badumwälzung und Substratwerkstoff Es wurden drei Lose gereinigt metallisiert und charakterisiert (5 Bauteile pro Los und Medium, d.h. insgesamt 180 St.). Betrachtet man die Ergebnisse in Diagramm 30 und Diagramm 31 ist festzustellen, dass es bei den Substratwerkstoffen PA6/ 6T Ultramid T4381 LDS sowie PBT Pocan DP7102 keine signifikanten Unterschiede zwischen den Reinigern Surtec 026 und Vigon 1000CR gibt. Bei dem Substratwerkstoff LCP Vectra E840i LDS ist eine deutlich bessere Reinigungswirkung durch den Reiniger Surtec 026 erreicht worden. Betrachtet man die Ergebnisse der 45

47 Substrate aus LCP nach der Reinigung mit Vigon 1000 CR ist ersichtlich, dass eine Ultraschallreinigung ohne Badumwälzung effektiver ist als eine Ultraschallreinigung mit Badumwälzung. Diagramm 30: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu-Beschichtung (Strukturpitch 250µm) Diagramm 31: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Strukturpitch 250µm) 46

48 5.1.5 Einfluss des Kupferelektrolyten Mit dem Versuchsplan in Abbildung 38 sollte untersucht werden, welchen Einfluss der Cu- Elektrolyt hat. Dazu erfolgte die Reinigung aller Substrate eines Loses in einem Gestell. Anschließend wurden die Substrate auf zwei Gestelle verteilt und gleichzeitig in den Elektrolyten A und B prozessiert. Reiniger: Surtec 026 Temperatur: 60 C Ultraschallparameter: Multifrequenz Dauer: 3 x 1min Elektrolyt A Elektrolyt B LCP PA6/ 6T PBT LCP PA6/ 6T PBT Abbildung 38: Versuchsplan zum Einfluss des Cu-Elektrolyten Es wurden drei Lose gereinigt metallisiert und charakterisiert (10 Bauteile pro Los und Medium, d.h. insgesamt 180 St.). 5 Pyramidenstümpfe mit Strukturpitch 150µm 5 Pyramidenstümpfe mit Strukturpitch 250µm Bei der Betrachtung der Ergebnisse der Pyramidenstümpfe mit einem Strukturpitch von 150µm (Diagramm 32 und Diagramm 33) wird ersichtlich, dass mit dem Cu-Elektrolyten A bessere Ergebnisse bei den Substratwerkstoffen LCP Vectra E840i LDS und PA6/6T Ultramid T4381 LDS erzielt werden. Bei dem Substratwerkstoff PBT Pocan DP7102 werden mit dem Elektrolyten B bessere Ergebnisse erzielt. 47

49 Elektrolyt A Elektrolyt A Elektrolyt A Elektrolyt B Elektrolyt B Elektrolyt B Diagramm 32: Elektrische Charakterisierung und Cu-Schichtdicken von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung (Strukturpitch 150µm) Elektrolyt A Elektrolyt A Elektrolyt A Elektrolyt B Elektrolyt B Elektrolyt B Diagramm 33: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Strukturpitch 150µm) Bei der Betrachtung der Auswertung nach verschiedenen Mäandern (Diagramm 34 und Diagramm 35) fällt deutlich auf, dass besonders beim Substratwerkstoff LCP Vectra E840i LDS die Mäander M3 und M5 die meisten Kurzschlüsse aufweisen. Die Ursache dafür ist eine erhöhte Kantenrauheit bei den Mäandern M3 und M5 (siehe Abbildung 39). Die Ursache für die erhöhte Kantenrauheit wird in der Strukturierungsrichtung quer zur Anspritzrichtung des Bauteils vermutet. 48

50 Elektrolyt A Elektrolyt B Elektrolyt A Elektrolyt B Diagramm 34: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung (Strukturpitch 150µm) Diagramm 35: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Strukturpitch 150µm) Abbildung 39: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander M1 bis M6 auf Pyramidenstümpfen aus LCP (Strukturpitch 150µm) Bei der Betrachtung der Schliffbilder (Abbildung 40) von Pyramidenstümpfen aus LCP Vectra E840i LDS sind keine signifikanten Unterschiede der abgeschiedenen Schichten erkennbar. 49

51 Mäander M3, Cu-Elektrolyt A, Pitch 150µm Mäander M6, Cu-Elektrolyt A, Pitch 150µm Mäander M3, Cu-Elektrolyt B, Pitch 150µm Mäander M6, Cu-Elektrolyt B, Pitch 150µm Abbildung 40: Lichtmikroskopische Aufnahmen von Querschliffen der Mäander M3 und M6 auf Pyramidenstümpfen aus LCP (Strukturpitch 150µm) Bei der Betrachtung der Schliffbilder (Abbildung 41) von Pyramidenstümpfen aus PA6/6T Ultramid T4381 LDS ist erkennbar, dass bei den mit dem Cu-Elektrolyten B metallisierten Proben die Kupferschicht teilweise Einkerbungen bis auf die Substratoberfläche aufweist und somit nicht gleichmäßig ist. Dies ist bei einem Strukturpitch von 250µm elektrisch nicht messbar, sorgt aber bei einem Strukturpitch von 150µm bereits für eine hohe Anzahl von Unterbrechungen. 50

52 Mäander M3, Cu-Elektrolyt A, Pitch 250µm Mäander M6, Cu-Elektrolyt A, Pitch 250µm Mäander M3, Cu-Elektrolyt B, Pitch 250µm Mäander M6, Cu-Elektrolyt B, Pitch 250µm Abbildung 41: Lichtmikroskopische Aufnahmen von Querschliffen der Mäander M3 und M6 auf Pyramidenstümpfen auspa6/6t (Strukturpitch 250µm) Bei der Betrachtung der Schliffbilder (Abbildung 42) von Pyramidenstümpfen aus PBT Pocan DP7102 ist erkennbar, dass bei den mit dem Cu-Elektrolyten A metallisierten Proben die Kupferschicht ungleichmäßig ist. 51

53 Mäander M3, Cu-Elektrolyt A, Pitch 250µm Mäander M6, Cu-Elektrolyt A, Pitch 250µm Mäander M3, Cu-Elektrolyt B, Pitch 250µm Mäander M6, Cu-Elektrolyt B, Pitch 250µm Abbildung 42: Lichtmikroskopische Aufnahmen von Querschliffen der Mäander M3 und M6 auf Pyramidenstümpfen aus PBT (Strukturpitch 250µm) Bei den Pyramidenstümpfen mit einem Strukturpitch von 250µm konnte eine zuverlässige Reinigung und Metallisierung der untersuchten LDS-Werkstoffe erzielt werden (Diagramm 36 und Diagramm 37). Elektrolyt A Elektrolyt A Elektrolyt A Elektrolyt B Elektrolyt B Elektrolyt B Diagramm 36: Elektrische Charakterisierung und Schichtdicken von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung (Strukturpitch 250µm) 52

54 Elektrolyt A Elektrolyt A Elektrolyt A Elektrolyt B Elektrolyt B Elektrolyt B Diagramm 37: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Strukturpitch 250µm) 5.2 CO 2 -Schneestrahlreinigung Vorversuch zur Ermittlung des Prozessfensters Um ein erstes Prozessfenster für die CO 2 -Schneestrahlreinigung zu ermitteln wurden Pyramidenstümpfe aus dem Substratwerkstoff LCP Vectra E840i LDS und einem Strukturpitch von 150µm mit den in Abbildung 43 aufgeführten Parametern gereinigt. CO 2 -Druck: 3bar Druckluft: 3bar Düsenabstand 50mm Düsenabstand 75mm Düsenabstand 100mm V= 20mm /s V= 40mm /s V= 60mm /s V= 80mm /s V= 20mm /s V= 40mm /s V= 60mm /s V= 80mm /s V= 20mm /s V= 40mm /s V= 60mm /s V= 80mm /s P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 P1: CO 2 - Pitch 5mm, P2: CO 2 - Pitch 10mm, P3: CO 2 - Pitch 12,5mm Abbildung 43: Versuchsplan zur Ermittlung des Prozessfensters Es wurden je 2 Substrate gereinigt, metallisiert und charakterisiert (insgesamt 72 St.). 53

55 Bei Betrachtung der Ergebnisse des Vorversuchs in Diagramm 38 und Diagramm 39 sind folgende Zusammenhänge erkennbar: Düsenabstand hat nur einen sehr geringen Einfluss Größerer CO 2 Reinigungspitch zeigt bessere Ergebnisse Optimum der Verfahrgeschwindigkeit liegt bei 60mm/s Diagramm 38: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu-Beschichtung (Strukturpitch 150µm) Diagramm 39: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Strukturpitch 150µm) 54

56 5.2.2 Untersuchungen zum Einfluss von Verfahrgeschwindigkeit und Substratwerkstoff In diesem Versuch sollte der Einfluss von Verfahrgeschwindigkeit und Substratwerkstoff untersucht werden. Die dazu verwendeten Reinigungsparameter und Substratwerkstoffe können der Abbildung 44 entnommen werden. Verfahrgeschwindigkeit 40mm/s CO 2 -Druck: 3bar Druckluft: 3bar Düsenabstand: 50mm CO 2 -Pitch: 10mm Verfahrgeschwindigkeit 60mm/s Verfahrgeschwindigkeit 80mm/s LCP PBT PA6/6T LCP PBT PA6/6T LCP PBT PA6/6T P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1: Strukturpitch 150µm, P2: Strukturpitch 250µm Abbildung 44: Versuchsplan zum Einfluss von Verfahrgeschwindigkeit und Substratwerkstoff Es wurden drei Lose gereinigt metallisiert und charakterisiert (5 Bauteile pro Los und Medium, d.h. insgesamt 180 St.). Aus dem Diagramm 40 und dem Diagramm 41 lässt sich ableiten, dass die CO 2 - Schneestrahlreinigung der Pyramidenstümpfe aus den Substratwerkstoffen PA6/6T Ultramid T4381 LDS und PBT Pocan DP7102 LDS mit einem Strukturpitch von 250µm sehr zuverlässig ist. Diagramm 40: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu-Beschichtung (Strukturpitch 250µm) 55

57 Diagramm 41: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (Strukturpitch 250µm) Bei der Auswertung nach verschiedenen Mäandern (Diagramm 42 und Diagramm 43) wird bei dem 150µm Strukturpitch auf Pyramidenstümpfen aus LCP Vectra E840i LDS ersichtlich, dass der Mäander M1, welcher sich auf der obersten Ebene des Substrates befindet (Abbildung 45), keine Unterbrechungen und nur 2 Kurzschlüsse von möglichen 90 aufweist. Bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 40mm/s wurde kein Kurzschluss beobachtet. M1 M2 M3 M5 M6 M4 Abbildung 45: Positionen der einzelnen Mäander 56

58 Diagramm 42: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung( LCP, Strukturpitch 150µm) Diagramm 43: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung( LCP, Strukturpitch 150µm) Weiterhin ist deutlich zu erkennen, dass die Mäander M3 und M5 wiederum eine extrem hohe Anzahl von Kurzschlüssen aufweisen (155 Kurzschlüsse von insgesamt 201 Kurzschlüssen). Die Ursache dafür ist, wie in Abbildung 46 zu sehen und in Kapitel bereits beschrieben, die erhöhte Kantenrauheit der Leiterbahnen, welche ihre Ursache wahrscheinlich in der Strukturierung quer zur Spritzgussrichtung hat. Abbildung 46: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander M1 bis M6 auf Pyramidenstümpfen aus LCP (Strukturpitch 150µm) Bei der Auswertung nach verschiedenen Mäandern des 250µm Strukturpitches auf Pyramidenstümpfen aus LCP Vectra E840i LDS wird ersichtlich, dass auch hier 41 57

59 Kurzschlüsse von insgesamt 46 Kurzschlüssen durch die Mäander M3 und M5 verursacht werden (Diagramm 44 und Diagramm 45). Diagramm 44: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung ( LCP, Strukturpitch 250µm) Diagramm 45: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung ( LCP, Strukturpitch 250µm) In der Abbildung 47 sind exemplarische lichtmikroskopische Aufnahmen der Teststrukturen mit einem Pitch von 250µm auf Pyramidenstümpfen aus LCP dargestellt. Abbildung 47: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander M1 bis M6 auf Pyramidenstümpfen aus LCP (Strukturpitch 250µm) 58

60 Bei dem Strukturpitch von 150µm auf den Pyramidenstümpfen aus PA6/6T Ultramid T4381 LDS muss aufgrund der hohen Anzahl an Unterbrechungen (Diagramm 46 und Diagramm 47) eine deutliche Abschwächung der CO 2 -Schneestrahlreinigung erfolgen. Diagramm 46: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung ( PA6/6T, Strukturpitch 150µm) Diagramm 47: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (PA6/6T, Strukturpitch 150µm) In der Abbildung 48 sind exemplarische lichtmikroskopische Aufnahmen der Teststrukturen mit einem Pitch von 150µm auf Pyramidenstümpfen aus PA6/6T dargestellt. Abbildung 48: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander M1 bis M6 auf Pyramidenstümpfen aus PA6/6T (Strukturpitch 150µm) Bei dem Strukturpitch von 250µm auf Pyramidenstümpfen aus PA6/6T Ultramid T4381 LDS ist die CO 2 -Schneestrahlreinigung eine sehr zuverlässige Reinigungsmethode, da in dem 59

61 gesamten untersuchten Parameterfeld keine Unterbrechungen und Kurzschlüsse auftreten (Diagramm 48 und Diagramm 49). Diagramm 48: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu - Beschichtung (PA6/ 6T, Strukturpitch 250µm) Diagramm 49: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (PA6/6T, Strukturpitch 250µm) In der Abbildung 49 sind exemplarische lichtmikroskopische Aufnahmen der Teststrukturen mit einem Pitch von 250µm auf Pyramidenstümpfen aus PA6/6T dargestellt. Abbildung 49: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander M1 bis M6 auf Pyramidenstümpfen aus PA6/6T (Strukturpitch 250µm) Bei den Pyramidenstümpfen aus PBT Pocan DP7102 LDS mit einem Strukturpitch von 150µm kann durch eine Optimierung der CO 2 -Parameter keine Verbesserung der Ergebnisse erzielt werden, da sowohl Kurzschlüsse und Unterbrechungen (Diagramm 50 und Diagramm 60

62 51) in einer Struktur auftreten. Würde man die Reinigung intensivieren, dann würde die Anzahl der Unterbrechungen steigen. Würde man die Reinigung hingegen abschwächen, hätte dies einen Anstieg der Kurzschlüsse zur Folge. Diagramm 50 :Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu - Beschichtung (PBT, Strukturpitch 150µm) Diagramm 51: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (PBT, Strukturpitch 150µm) In der Abbildung 50 sind exemplarische lichtmikroskopische Aufnahmen der Teststrukturen mit einem Pitch von 150µm auf Pyramidenstümpfen aus PBT dargestellt. Abbildung 50: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander M1 bis M6 auf Pyramidenstümpfen aus PBT (Strukturpitch 150µm) 61

63 Bei dem Strukturpitch von 250µm auf Pyramidenstümpfen aus PBT Pocan DP7102 LDS ist eine CO 2 -Schneestrahlreinigung eine sehr zuverlässige Reinigungsmethode, da in dem gesamten untersuchten Parameterfeld keine Unterbrechungen und lediglich 2 Kurzschlüsse aufgetreten sind (Diagramm 52 und Diagramm 53). Diagramm 52: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu- Beschichtung (PBT, Strukturpitch 250µm) Diagramm 53: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung (PBT, Strukturpitch 250µm) In der Abbildung 51 sind exemplarische lichtmikroskopische Aufnahmen der Teststrukturen mit einem Pitch von 150µm auf Pyramidenstümpfen aus PBT dargestellt. Abbildung 51: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander M1 bis M6 auf Pyramidenstümpfen aus PBT (Strukturpitch 250µm) 62

64 5.3 Wasserstrahlreinigung Bei diesem Reinigungsverfahren werden die Substrate mit einem Hochdruckwasserstrahl (Stadtwasser) ohne den Zusatz von chemischen Reinigern gereinigt. Der Druckbereich des Wasserstrahls liegt dabei zwischen 50bar und 150bar. Da am HSG-IMAT eine solche Anlage nicht zur Verfügung stand, erfolgte die Reinigung und Kupferbeschichtung der Substrate durch die Firma LPKF Laser & Electronics AG. Die elektrische Charakterisierung sowie die Ni/Au-Beschichtung erfolgten am HSG-IMAT Untersuchungen zum Einfluss von Wasserdruck und Prozesszeit Nach dem in Abbildung 52 ersichtlichen Versuchsplan wurden zwei Wasserdrücke sowie zwei Prozessvarianten bei Substraten mit einem Strukturpitch von 150µm bzw. 300µm aus den Substratwerkstoffen LCP Vectra E840i LDS, PA6/ 6T Ultramid T4381 LDS und PBT Pocan DP7102 LDS untersucht. Konstante Wassertemperatur Konstanter Überlapp der Einzeldüsen ohne Zusatz von Reinigern Wasserdruck 100bar Wasserdruck 145bar (P4) 1 x Vor und Rücklauf (P2) 3 x Vor und Rücklauf (P1) 1 x Vor und Rücklauf (P3) 3 x Vor und Rücklauf LCP PA6/ 6T PBT LCP PA6/ 6T PBT LCP PA6/ 6T PBT LCP PA6/ 6T PBT Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi 1 Pi 2 Pi1: Strukturpitch 150µm; Pi2: Strukturpitch 300µm Abbildung 52: Versuchsplan zur Wasserstrahlreinigung Es wurde ein Los gereinigt metallisiert und charakterisiert (10 Bauteile pro Los und Medium, d.h. insgesamt 240 St.). Diagramm 54 und Diagramm 55 zeigen die Ergebnisse der elektrischen Charakterisierung. Bei der Wasserstrahlreinigung mit einem Druck von 145bar wurden die Strukturen auf den Substraten aus LCP Vectra E840i LDS so stark beschädigt, dass diese elektrisch nicht mehr vermessen werden konnten. 63

65 Diagramm 54: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu-Beschichtung Diagramm 55: Elektrische Charakterisierung von Pyramidenstümpfen nach der Cu/Ni/Au-Beschichtung Abbildung 53 bis Abbildung 58 zeigen exemplarische lichtmikroskopische Aufnahmen der wasserstrahlgereinigten und kupferbeschichteten Pyramidenstümpfe. 64

66 In der Abbildung 53 und Abbildung 54 sind die Defekte der leitenden Strukturen infolge der Wasserstrahlreinigung deutlich zu erkennen Abbildung 53: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander auf Pyramidenstümpfen aus LCP (Strukturpitch 150µm) Abbildung 54: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander auf Pyramidenstümpfen aus LCP (Strukturpitch 300µm) 65

67 Abbildung 55: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander auf Pyramidenstümpfen aus PA6/6T (Strukturpitch 150µm) Abbildung 56: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander auf Pyramidenstümpfen aus PA6/6T (Strukturpitch 300µm) 66

68 Abbildung 57: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander auf Pyramidenstümpfen aus PBT (Strukturpitch 150µm) Abbildung 58: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Mäander auf Pyramidenstümpfen aus PBT (Strukturpitch 300µm) Für die Reinigung von Substraten mit Strukturpitches von 150µm ist dieses Reinigungsverfahren völlig ungeeignet. Für die Reinigung von Substraten mit Strukturpitches von 300µm und größer kann die Wasserstrahlreinigung bei geeigneter Substratgeometrie ein geeignetes Reinigungsverfahren sein. 67