СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОВОДЯЩИХ ДОРОЖЕК В ПОРИСТОЙ ПОЛИМЕРНОЙ ПЛЕНКЕ
METHOD OF MAKING CONDUCTING TRACKS ON POROUS POLYMER FILM

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при изготовлении гибких многослойных печатных плат, применяемых при конструировании радиоэлектронной техники.
Методы изготовления печатных плат (ПП) разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные [1, 2].
В субтрактивных методах в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков.
Аддитивные методы (аналог) [3] основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание. В этой технологии проводящий рисунок сначала формируется на временных носителях - листах из нержавеющей стали, поверхность которых покрывается гальванически осажденной медной шиной. На этих листах формируется защитный рельеф пленочного фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждением тонкого слоя никеля и меди во вскрытые в фоторезисте рельефы. После удаления пленочного фоторезиста проводящий рисунок впрессовывается в диэлектрик. Прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности временных носителей. Форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются рисунком рельефа, который использовался для получения проводников, то есть процессами фотолитографии.
По сравнению с субтрактивными аддитивные методы обладают следующими преимуществами:
1) устраняется подтравливание элементов печатного монтажа, т.е. профиль проводников, получаемых по этой технологии, близок к идеальному;
2) повышается плотность печатного монтажа;
3) экономятся медь, химикаты для травления и затраты на нейтрализацию сточных вод.
Однако, несмотря на описанные преимущества, применение аддитивного метода в массовом производстве ПП существенно ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией.
Более того, как в данной (аддитивной), так и в субтрактивной технологиях необходимым условием их практической реализации является использование технологически сложного и трудоемкого этапа фотолитографии, включающего изготовление фотошаблона, нанесение фоторезиста и его химическое травление.
В этой связи, идеальной технологией производства ПП, в том числе и гибких печатных плат (ГПП), максимально удовлетворяющей экологичность, эффективность, качество и функциональность ПП, явилась бы технология прямого формирования заданного по размеру и форме линий проводящих дорожек непосредственно на диэлектрической подложке (особо подчеркнем - на неметаллизированной диэлектрической подложке). При этом, естественно, при производстве многослойных ГПП должны быть исключены и процессы изготовления металлизированных переходных отверстий.
Однако, такой способ прямого (без фотолитографии) формирования топологического рисунка печатной схемы на диэлектрике и последующее формирование по нему проводящих дорожек авторам не известен (прототип отсутствует).
Техническое решение данной «идеальной» технологии (способа) и предлагается в данном изобретении.
Технический эффект достигается за счет того, что способ формирования проводящих дорожек в пористой полимерной пленке заключается в воспроизводстве заданных по форме и размеру линии проводящих дорожек в пористой полимерной пленке путем закрытия сквозных пор в ее участках вне зон изображения линий проводящих дорожек и последующего гальванического заполнения металлом открытых сквозных пор, находящихся в зонах изображений линий проводящих дорожек, вплоть до формирования металлических слоев на поверхностях полимерной пленки.
Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:
- закрытие сквозных пор в пористой полимерной пленке в ее участках вне зон изображения линий проводящих дорожек в соответствии с топологическим рисунком печатной схемы,
- гальваническое заполнение металлом открытых пор, оставшихся в пленке в зонах изображения линий проводящих дорожек в соответствии с топологическим рисунком печатной схемы, вплоть до формирования на поверхностях пленки соответствующих металлических слоев.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 приведены этапы практической реализации предлагаемого способа формирования проводящих дорожек в пористой полимерной пленке.
I - этап подготовки пористой полимерной пленки,
II - этап закрытия сквозных пор в участках (темное поле) пористой полимерной пленки вне зон изображения линий проводящих дорожек (светлые линии) в соответствии с топологическим рисунком печатной схемы,
III - этап формирования проводящих дорожек путем гальванического заполнения металлом (медью) открытых пор в зонах изображения линий проводящих дорожек в соответствии с топологическим рисунком печатной схемы.
На фиг.2(а) приведено изображение в оптическом микроскопе пористой полимерной пленки с двумя участками: один участок с закрытыми (темные линии) и открытыми (светлые линии) порами, другой участок этой же пленки подвергнут гальваническому заполнению медью открытых пор, находящихся в зонах изображения линий проводящих дорожек (более светлые линии). На фиг.2(б) приведено изображение в растровом электронном микроскопе (РЭМ) поперечного сечения участка полимерной пленки, подвергнутого гальванической металлизации (см. фиг.2а). В сечении видны участки пленки с закрытыми порами (белые линии) и участки с открытыми порами (видны микропроволочки), над и под которыми на поверхности пленки сформированы металлические слои (проводящие дорожки).
В качестве пористого диэлектрического материала целесообразно использовать промышленно выпускаемые полимерные пленки с травлеными сквозными порами, т.н. трековые мембраны. При этом в качестве материала для трековых мембран можно использовать широкий класс полимерных материалов, в частности лавсан и полиимид. Последние, как известно, широко используются при изготовлении ГПП.
4
10
-2
После соответствующего облучения высокоэнергетичными тяжелыми ионами и последующего химического травления в полимерных пленках формируются сквозные травленые каналы-поры. Диаметр (в интервале 0,01-5 мкм) и плотность (в интервале 10-10 см) сквозных пор регулируются условиями облучения и химического травления.
Закрытие сквозных каналов-пор в пористой полимерной пленке может осуществляться как их заполнением тем или иным веществом, так и термическим способом с помощью, например, устройств, аналогичных лазерным принтерам, воспроизводящих с помощью управляющего компьютера графические изображения топологических рисунков печатных схем непосредственно на пористую полимерную пленку. При этом «закрытие» сквозных пор в пористой полимерной пленке происходит в ее участках вне зон изображения линий проводящих дорожек. Заметим, что при этом открытые поры остаются в пределах заданного размера и форм линий проводящих дорожек на топологическом рисунке печатной схемы. Более того, особо отметим, что размер (ширина) и расстояние между дорожками могут составлять единицы микрометра, что, естественно, позволяет значительно увеличить плотность проводников на ГПП.
Заполнение металлом открытых пор в пределах зон изображения линий проводящих дорожек осуществляется гальваническим осаждением в них металла, например меди в специальной электролитической ячейке. При этом пористая полимерная пленка с закрытыми и открытыми порами плотно прижимается к металлической поверхности катода. Материал катода должен отвечать условиям процесса «гальванопластики», т.е. обеспечить разделение материала катода и металлического прикатодного слоя, образующегося по линии проводящих дорожек на пористой полимерной пленке. Процесс заполнения металлом открытых пор ведут до формирования металлического слоя требуемой толщины (единицы или десятки мкм) на противоположной (от прикатодного слоя) поверхности пористой полимерной пленки. Таким образом, на двух поверхностях пористой полимерной пленки формируются металлические слои в пределах зон изображений линий проводящих дорожек, соединенные между собой металлическим осадком в открытых порах в виде монокристаллических микропроволок.
В соответствии с фиг.1 для практической реализации предлагаемого способа формирования проводящих дорожек в пористой полимерной пленке необходимо иметь: во-первых, пористую полимерную пленку, во-вторых, устройство для закрытия в ней сквозных пор в участках пористой полимерной пленки вне зон изображения линий проводящих дорожек в соответствии с заданным топологическим рисунком печатной схемы и, наконец, в-третьих, электрохимическую ячейку.
В качестве пористой полимерной пленки используется стандартная трековая мембрана толщиной 20 мкм со сквозными травлеными порами (см. фиг.1, I этап).
В качестве примера графического изображения топологического рисунка печатной платы выбрана схема монтажа цифровых индикаторов, выполненная в формате PCAD-4,5. Изображение этой схемы непосредственно переносилось на пористую полимерную пленку с помощью специального лазерного принтера. В результате этого переноса осуществляется закрытие пор в участках пористой полимерной пленки вне зон изображения линий проводящих дорожек (на фиг.1, II этап - участки поверхности пленки с закрытыми порами изображены черным цветом, а линии проводящих дорожек с открытыми порами изображены белыми линиями).
На III этапе (фиг.1) полимерная пленка с изображением топологического рисунка печатной схемы переносится в электрохимическую ячейку и закрепляется на металлическом катоде. В результате электрохимического процесса происходит заполнение металлическим осадком открытых пор в зонах изображения линий проводящих дорожек. Продолжение этого электрохимического процесса вызывает образование в этих зонах на поверхностях пленки металлических слоев как со стороны катода (прикатодный слой), так и на противоположной стороне полимерной пленки. Толщина этих слоев может изменяться от единиц до десятков мкм в зависимости от времени гальванического процесса. Таким образом, формируется односторонняя ГПП.
Заметим, что для формирования, например, двухсторонней ГПП необходимо изобразить на пористой полимерной пленке три топологических рисунка печатной схемы: графические изображения рисунков одной и другой стороны печатной схемы, а также рисунок соединительных мест. После этого участки с открытыми порами в зонах изображения линий проводящих дорожек гальванически металлизируются до формирования рисунка соответствующих проводящих дорожек. Затем из них формируется «сэндвич» и производят процесс пайки. Естественно, нет проблем и в формировании многослойных ГПП любой сложности.
На фиг.2 приведен пример формирования проводящих дорожек в виде системы параллельных линий на пористой полимерной пленке. Прежде всего, в пористой полимерной пленке с помощью специального принтера сформировано изображение чередующихся линий с закрытыми (черные линии) и открытыми (светлые линии) порами. Ширина этих линий составляет около 60 мкм (нет проблем формирования дорожек шириной в единицы мкм). Затем данную пленку переносят в электрохимическую ячейку и частично погружают в электролит. В результате этого гальваническое формирование металлического слоя проходит в погруженной в электролит части полимерной пленки и только в участках с открытыми порами (фиг.2а). На фиг.2б показано РЭМ-изображение поперечного сечения участка пористой полимерной пленки со сформированными в ней проводящими дорожками (см. фиг.2а). Видны металлизированные дорожки на поверхности полимерной пленки в области открытых пор.
Таким образом, приведенные результаты подтверждают, что предлагаемое в настоящем изобретении техническое решение реализуемо на практике и при его использовании достигается поставленная цель - создание унифицированного, простого, эффективного и экономичного способа прямого формирования проводящих дорожек на полимерных пленках. В результате достигается очевидное повышение технологичности и экологичности производства при значительном сокращении времени изготовления прецизионных гибких печатных плат.
Предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества и позволяет:
- использовать неметаллизированный полимерный материал,
- реализовать «сухую» технологию записи графического изображения топологического рисунка печатной схемы на пористую полимерную пленку без мокрых стадий обработки путем закрытия пор в участках пленки вне зон изображения линий проводящих дорожек. «Сухая» технология использует, например, термический способ записи графического изображения топологического рисунка печатной схемы лучом лазера непосредственно с управляющего компьютера на пористую полимерную пленку, при этом, естественно, не требуются реактивы и «темные комнаты»,
- проводить гальваническую металлизацию полимерной пленки только в пределах линий графического изображения проводящих дорожек (экономия меди и экологичность процесса),
- исключить формирование сквозных отверстий, и, следовательно, их металлизацию при формировании двух- и более многослойных ГПП,
- уменьшить до микронных размеров ширину проводящих дорожек и расстояния между ними (что позволяет значительно увеличить плотность монтажа ГПП),
- повысить экспрессность изготовления ГПП (время записи графического изображения топологического рисунка печатной схемы на пористой полимерной пленке составляет несколько минут, время гальванического формирования проводящих дорожек - не более 30-40 минут),
- реализовать рулонную технологию (рулон на рулон),
- воспроизвести на единой поверхности полимерной пленки весь топологический рисунок печатной схемы, что позволяет уменьшить количество соединительных разъемов,
- формировать другие компоненты электронной схемы (трансформаторы, активные и реактивные элементы),
- значительно сократить количество сложной технической аппаратуры (например, для фотолитографии) и сделать процесс изготовления ГПП простым и удобным,
- создать «зеленую» технологию производства ГПП,
- повысить ресурсность работы ГПП (за счет двухстороннего дублирования проводящих дорожек),
обеспечить благоприятные условия для теплоотвода с одной металлизированной поверхности полимерной пленки на другую через металлические микропроволоки.
Используемая литература
1. Технология приборостроения: Учебник. / Под общей редакцией проф. И.П.Бушминского. - М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана.
2. Тупик В.А. Технология и организация производства радиоэлектронной аппаратуры. - СПб: Издательство: СПбГЭТУ "ЛЭТИ" - 2004.
3. Риочи Ватанабе. Замечательная идея от фирмы Samsung. Технологии в электронной промышленности, №4, 2005, стр.25-27.