Wie lassen sich aluminium-kaschierte PCB-Materialien strukturieren?

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Aluminium könnte künftig Kupfer in Anwendungen wie der E-Mobility, bei denen es auf eine Gewichtsreduzierung ankommt, ersetzen – aber nur, wenn eine qualitätsgerechte Strukturierung im Mikrometerbereich gelingt.

Ein Projektkonsortium bestehend aus den Partnern Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Verbundkoordinator), Koenen und KSG hatte sich in dem vom BMWi über drei Jahre geförderten Projekt KAluS 50 (Kostengünstige Aluminium-Strukturierung bis 50 µm für Silicium-Solarzellen und ähnliche Anwendungsgebiete, Förderkennzeichen 0324009A-C) zum Ziel gesetzt, hocheffiziente Solarzellenkonzepte für ein wirtschaftlich fertigbares Serienprodukt zu entwickeln. Hierzu sollten lokal wirkende elektrochemische Strukturierungsprozesse für dünne Metallschichten, insbesondere Aluminiumschichten (0,3-5 µm) entwickelt werden, die Layoutstrukturen mit einem Abstand bis zu 50 µm, wie sie für Anwendungen auf Solarzellen gefordert werden, erzeugen können.

Gleichzeitig wurden grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung eines lokal arbeitenden elektrochemischen Strukturierungsprozesses für Aluminiumschichten höherer Stärken (8-50 µm) als Voraussetzung einer möglichen Transformation der Ergebnisse auf die Fertigung einer Aluminium-basierten Leiterplatte durchgeführt. Die Übertragung und Beherrschung elektrochemischer Strukturierungsprozesse der Solarzellenherstellung auf für einen Leiterplattenhersteller relevante Aluminiumschichten würde der Leiterplattentechnologie vollkommen neue Anwendungsfelder eröffnen.

Bildergalerie

Zur Mikrostrukturierung von Aluminium-kaschiertem Leiterplattenmaterial wurden die beiden Verfahren elektrochemischer (EC) Siebdruck und elektrochemisches Dispensen verfolgt. Alternativ dazu wurden das selektiv arbeitende Verfahren der Laserablation sowie das in anderer Branche etablierte Verfahren zur nasschemischen Aluminiumstrukturierung mit dem Ätzsystem Eisen(III)-chlorid (FeCl₃) untersucht.

Elektrochemischer Siebdruck und Dispensen

Die Arbeiten des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ergaben, dass es mit EC-Siebdruck und EC-Dispensen nur möglich ist, Aluminiumschichten mit einer Stärke von ≤ 2 µm vollständig zu strukturieren. Um das Verfahren EC-Dispensen eventuell doch nutzen zu können, wurde versucht, die Stärke einer Aluminiumschicht partiell mittels Laserablation auf circa 1 µm zu verringern und über EC-Dispensen nur die im Kanal verbliebene Aluminiumrestdicke abzutragen (Bild 1 in Bildergalerie).

Man erkennt deutlich, dass das Verfahren in seinem gegenwärtigen Entwicklungsstadium noch nicht in der Lage ist, selektiv vorstrukturierte Geometrieelemente vollständig auszuätzen und dabei die angrenzenden Layoutbereiche nicht mit anzugreifen. Der Dispensprozess erzeugt ein sehr unregelmäßiges Ätzbild, in dem einerseits kaum geätzte Bereiche, andererseits Bereiche, bei denen sogar die gesamte Aluminiumstärke von 8 µm elektrochemisch abgetragen wurde, parallel nebeneinander vorliegen.

Für beide elektrochemischen Verfahren existiert zum Projektende keine realistische Chance, sie zur Strukturierung von Aluminiumfolien mit den für einen Leiterplattenhersteller relevanten Folienstärken und damit zur Herstellung von einseitigen oder doppelseitigen Aluminiumleiterplatten einzusetzen.

Ist die Laserablation eine Alternative?

Als alternativer Lösungsweg wurde das selektiv arbeitende Verfahren der Laserablation auf seine Eignung zur Mikrostrukturierung von Aluminium-kaschierten Leiterplattenmaterialien untersucht. Mit diesem Verfahren sollten Prototypen maskenlos und digital strukturiert werden. Ein Wettbewerbsvorteil in der Herstellung kann sich gegebenenfalls aus der kurzen Durchlaufzeit ergeben.

Der Laserprozess kann Isolationskanäle digital in die Aluminiumoberfläche einbringen und besitzt das größte Potenzial zur Erzeugung konturgetreuer Strukturen mit minimaler Unterätzung und sehr hoher Gleichmäßigkeit der Ätzkanten beziehungsweise -flanken. Durch den Wegfall jeglicher nasschemischer Fertigungsprozesse ist dieser für den Leiterplattenhersteller auch unter Umweltaspekten äußerst attraktiv.

Für die Strukturierungsexperimente wurde ein Pikosekundenlaser mit einer Wellenlänge von 355 nm ausgewählt, der sich auf Grund seiner extrem kurzen Pulsdauer durch einen sehr definierten Materialabtrag ohne Schädigungen des umliegenden Materials auszeichnet.

Im Ergebnis umfangreicher Versuchsreihen wurden Parameter gefunden, die in einer Aluminiumfolie sehr gleichmäßige Kanäle mit einer qualitativ hochwertigen Kanten­steilheit erzeugen können. Die Strukturierung unterschiedlicher Kanalbreiten und Aluminiumstärken (8-50 µm) kann über die Anzahl der Laserüberfahrten gesteuert werden (Bild 2 in Bildergalerie).

Für die wirtschaftliche Attraktivität der Laserbearbeitung als Strukturierungsmethode für Aluminium-kaschierte Leiterplattenmaterialien ist primär die Geschwindigkeit des Verfahrens entscheidend. Auf Grund der Vorschubgeschwindigkeit des Lasers und der für die vollständige Strukturierung erforderlichen Anzahl an Laserüberfahrten ergeben sich gegenüber einem alternativen nasschemischen Ätzprozess signifikant längere Bearbeitungszeiten und damit auch wesentlich höhere Kosten, die sich nach gegenwärtigem Erkenntnisstand nicht kompensieren lassen.

Zusätzlich führt die Laserablation von metallischen Folien auf organischen Trägersubstraten zu heute noch nicht lösbaren Problemstellungen, auf Grund deren das Verfahren zur Herstellung von Aluminiumleiterplatten auch aus qualitativer Sicht als momentan ungeeignet eingestuft werden muss. Die für eine zuverlässige elektrische Trennung erforderliche Anzahl an Laser­überfahrten führt zu einer deutlich sichtbaren, aus Sicht der klassischen Leiterplattenfertigung absolut unzulässigen Schädigung des darunterliegenden Basismaterials (Bild 3).

Nasschemische Strukturierung von Aluminium

Parallel zu den vorgestellten Verfahren wurde eine umfassende Recherche und eine darauf aufbauende Erprobung ausgewählter nasschemischer Aluminium-Ätzchemikalien sowie Maskierungen, die in den diversen Ätzmedien chemisch beständig sind, durchgeführt. Die erprobten Ätz- und Maskierungssysteme wurden hinsichtlich ihrer technischen und wirtschaftlichen Eignung zur Mikrostrukturierung von Aluminium-kaschierten Leiterplatten bewertet.

Die in der Literatur beschriebenen Ätzmedien für Aluminium lassen sich aus chemischer Sicht im Wesentlichen in saure Ätzsysteme, alkalische Ätzsysteme und Systeme auf FeCl₃-Basis einteilen. In Bild 4 werden die Ätzergebnisse der drei aufgeführten Aluminium-Ätzsysteme miteinander verglichen.

Dem konturgetreuen Ätzergebnis des sauren Ätzmediums TechniEtch steht schon bei einer Aluminiumstärke von 8 µm seine extrem unwirtschaftliche Ätzgeschwindigkeit diametral gegenüber. Der Serieneinsatz einer alkalischen Aluminiumstrukturierung ist auf Grund der mangelnden Verfügbarkeit eines alkalibeständigen, mit hoher Auflösung fotostrukturierbaren Fotoresistes unwahrscheinlich. Hinsichtlich der Konturschärfe der geätzten Aluminiumstrukturen ist das untersuchte alkalische Ätzsystem zwischen den beiden Ätzmedien TechniEtch und FeCl₃ einzuordnen.

Die besten Erfolgsaussichten einer wirtschaftlichen und serienmäßig umsetzbaren Mikrostrukturierung Aluminium-kaschierter Leiterplattenmaterialien bietet gegenwärtig die nasschemische Strukturierung mit dem Ätzsystem FeCl₃. Die in anderer Branche langjährig verfügbare Expertise zu diesem Ätzsystem könnte während der Einführung und Etablierung der Technologie „Aluminiumleiterplatte“ als technologische Plattform dienen.

Im Rahmen des Projektes wurden mit dem Ätzmedium FeCl₃ diverse Demonstratoren mit einer Aluminiumstärke von 25 µm hergestellt (Bild 5 siehe oben). Festzustellen ist, dass die vom FeCl₃-System erzeugten Ätzflanken weder mit den Ätzflanken der beiden anderen Aluminium-Ätzmedien noch mit den vom Kupfer bekannten Ätzflanken vergleichbar sind (Bild 6 in Bildergalerie). Erschwerend kommt hinzu, dass dadurch kein klassischer Ätzfaktor ermittelbar ist, aus dem der Leiterplattenhersteller die für ein konturgetreues Ätzen erforderlichen Ätzzugaben berechnen könnte.

Reaktionsmechanismen bei Al und Cu sehr unterschiedlich

Das Ätzmedium FeCl₃ erzeugt gegenwärtig kein dem Kupfer auch nur annähernd adäquates Aluminium-Leiterbild. Verursacht wird dieses Phänomen hauptsächlich durch die unterschiedlichen Reaktionsmechanismen der Ätzprozesse von Kupfer und Aluminium. Das FeCl₃-System ist ein starkes, für viele Metalle einsetzbares Ätzmedium, das bei unedlen Metallen wie Aluminium zu einer sehr heftigen Ätzreaktion führt. Im Gegensatz zu Kupfer handelt es sich beim Auflösen von Aluminium um eine stark exotherme Reaktion, die zusätzlich noch unter Bildung von Wasserstoff abläuft. Beide Aspekte führen zu einer signifikanten Verringerung der Ätzhomogenität des Aluminiums sowie zu einer wesentlich stärker ausgeprägten Unterätzung des eingesetzten Maskierungsmaterials als bei Kupfer.

Auf Grund der unterschiedlichen Reaktionsmechanismen beider Ätzprozesse erscheint es heute nicht möglich, Aluminiumfolien mit den gleichen Qualitätsansprüchen an die Konturgeometrie des Layouts wie bei klassischen Kupferfolien üblich zu strukturieren. Dadurch wird sich der Einsatz derart strukturierter Aluminium-Leiterplatten vorrangig auf Wärmemanagement-Anwendungen oder Innenlagen mit großen zusammenhängenden Masseflächen, bei denen nur relativ definierte Isolationskanäle geätzt werden, einschränken. Für solche Strukturen sollte es möglich sein, die mangelnde Konturschärfe durch entsprechende Design-Regeln auszugleichen.

Aluminium noch kein adäquater Ersatz für Kupfer

Mit der Möglichkeit einer serienmäßigen nasschemischen Mikrostrukturierung Aluminium-kaschierter Leiterplattenmaterialien wurde eine erste Grundvoraussetzung für die spätere wirtschaftliche Vermarktung von Aluminiumleiterplatten in ausgewählten Anwendungsgebieten geschaffen. Für den Einsatz von Aluminiumleiterplatten als adäquater Ersatz klassischer Kupferleiterplatten ist der Schwerpunkt weiterer Entwicklungsarbeiten auf die Suche nach einer möglichst konturgetreuen Aluminiumstrukturierung sowie die Erzeugung einer zuverlässigen Durchkontaktierung zu legen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 12/2020 (Download PDF)

Um das Potenzial von Aluminiumleiterplatten noch umfassender und zielgerichteter auszuschöpfen, müssen sich weitere Forschungen auch auf die Erzeugung einer den Endkunden vertrauten Löt- oder Drahtbondoberfläche sowie eine im Vergleich zum Kupfer möglichst kostengünstigere Herstellung konzentrieren. Nur unter dieser Voraussetzung kann der Technologieansatz zur Fertigung einer Aluminium-basierten Leiterplatte in die Standardprozesse überführt werden und somit die Kundenakzeptanz und ein breites Anwendungsspektrum im Markt finden.

* Dr. Kathrin Weise ist Entwicklungsingenieurin bei KSG in Gornsdorf

* *Ralph Fiehler ist Entwicklungsleiter bei KSG in Gornsdorf

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