Mit allen Wassern gewaschen

Klaus Kieninger, Fachhochschule München/Koenen Ottobrunn

In Kooperation zwischen Koenen und dem Labor Mikroelektronik/Technologie der Fachhochschule München wurde die siebdrucktechnische Erprobung der Siebbeschichtungen unter Praxisbedingungen durchgeführt.

Beim Entwurf des Layouts für eine Teststruktur wurde besonderes Augenmerk auf die Abbildungsgenauigkeit unterschiedlicher Leiterbahnbreiten gelegt. Zudem sollte die Auflösung von Leiterbahnen unterschiedlicher Winkellagen in Bezug zum Fadenwinkel des Siebes Berücksichtigung finden. Bild 1 zeigt das Testlayout. Die Aufteilung in vier Bereiche (Dreiecke, Kreise, Sterne und Vias) entspringt unterschiedlichen Problemstellungen beim Siebdruck.

In der Dickschicht-Hybridtechnik werden Leiterbahnstrukturen in der Regel parallel zu den Substratkanten gelegt. Da meist Siebe mit einem Fadenwinkel von 45° eingesetzt werden, liegen die horizontalen und die vertikalen Strukturen dann unter einem Winkel von 45° zu den Maschen des Siebes, während Leiterbahnen, die im Winkel von 45° angelegt sind, dann parallel zu den Fäden des Siebes verlaufen. Dies stellt sowohl für die Siebstrukturierung als auch für den späteren Siebdruck sehr unterschiedliche Bedingungen dar. Um dies genauer untersuchen zu können, wurde der Bereich „Dreieck“ entworfen. In diesem Bereich sind Leiterbahnen mit variierenden Abständen von 60 µm bis 250 µm angeordnet.

Da beispielsweise in der Hochfrequenztechnik häufig runde beziehungsweise kreisförmige Struk-turen benötigt werden, wurden auch „Kreise“ mit unterschiedlichen Bahnbreiten und Bahnabständen entworfen. Bei diesem Layout entstehen maschenüberquerende Strukturen unterschiedlicher Größe, was bei der Siebherstellung eine besondere Problematik darstellt.

Um die Qualität der Abbildung von Leiterbahnstrukturen im Hinblick auf den Fadenwinkel des Siebes noch besser beurteilen zu können, wurden sternförmig angeordnete Leiterbahnzüge („Stern“) entworfen. Dabei liegen die einzelnen Leiterbahnen in einem Winkel von 15° zueinander. Die entworfenen Bahnbreiten liegen zwischen 200 µm und 80 µm. Siebdrucktechnisch stellt die Realisierung von Durchkontaktierungen, sogenannten Vias, unter Umständen ein Problem dar. Diese Schwierigkeiten beruhen zwar primär auf den Eigenschaften der zum Druck verwendeten Dickschichtpaste und der Einstellung der Druckparameter, weniger auf den Eigenschaften der Siebstrukturierung. Trotzdem wurde im Layout der Teststruktur ein Bereich „Vias“ aufgenommen, mit dem diese drucktechnische Problematik beurteilt werden kann. Dabei wurden Vias im Bereich von 500 x 500 µm² bis 150 x 150 µm² vorgesehen.

Die Drucksiebe wurden von der Firma Koenen ausgewählt und hergestellt. Es wurde ein Rahmen mit einem Innenmaß von 8 x 10 Zoll (Koenen Typ-2) verwendet. Folgende Edelstahldrahtgewebe kamen zum Einsatz:

• 325 mesh – 0,030 mm Drahtdurchmesser, Bespannungswinkel 22,5°,

• 350 mesh – 0,020 mm Drahtdurchmesser, Bespannungswinkel 45° und

• 400 mesh – 0,018 mm Drahtdurchmesser, Bespannungswinkel 45°.

Die Siebstrukturierung erfolgte in der direkten/indirekten Beschichtungstechnik mit einer Filmstärke von 20 µm.

Die Drucksiebe wurden vor dem Siebdruck optisch beurteilt. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die Qualität der Abbildungsgenauigkeit und der Maschenüberquerung der Strukturen gelegt. Teile der Siebstrukturierung wurden mittels eines Messmikroskops vermessen und zur Dokumentation fotografiert. Bild 2 zeigt den inneren Bereich der Teststruktur „Dreieck“. Dabei liegt die kleinste Linienbreite der Struktur im Bereich der Maschenweite des Gewebes. Trotzdem ist eine einwandfreie Siebstrukturierung erreicht. Eine Maßabweichung im Bereich kleiner 20 µm von der entworfenen Linienbreite resultiert zum einen aus einer Kantenunschärfe des verwendeten Dias und zum anderen aus Streulichteffekten bei der Siebbelichtung. Die Maschenüberquerung der kreisförmigen Strukturen ist, wie in Bild 3 zu sehen, ausgezeichnet. Die Abbildungsfehler der Bahnbreiten und Bahnabstände liegen dabei in der gleichen Größenordnung ( 20 µm) wie bei den Bahnen im Bereich „Dreieck“. Selbst wenn die einzelnen Öffnungen der Siebstrukturierung kleiner sind als die Maschenweite des Siebes, sind diese Öffnungen klar und sauber ausgebildet. Bei der Teststruktur interessierte vor allem der innere Bereich des Sterns. In diesem Bereich laufen die einzelnen Leiterbahnen so zusammen, dass zwischen den Bahnen pfeilförmige Keile entstehen. Diese sehr spitz auslaufenden Strukturen finden im Gewebe nur sehr wenig Halt. In Bild 4 ist deutlich zu sehen, dass die Keile trotzdem gut ausgebildet erscheinen und nur eine minimale Verformung an der Spitze aufweisen.

Gute Ergebnisse wurden bei den Vias der Größe 500 µm und 400 µm erzielt. Deutlich ist zu erkennen, dass die vorgegebene quadratische Form des Vias von der Siebbeschichtung wiedergegeben wird. Ab einer Viagröße von 200 µm und kleiner wird diese klare Form nicht mehr gezeichnet. Im Bild 5 sind Vias der Sollgröße 150 x 150 µm2 abgebildet. Es ist vorhersehbar, dass mit dieser Siebstrukturierung keine klaren und reproduzierbaren Druckergebnisse erzielt werden können. Es ist eindrucksvoll, wie klar, deutlich und maßhaltig die einzelnen Leiterbahnzüge abgebildet wurden.

Beim Drucken der Testsubstrate wurden mehrere Testreihen (mehr als 300 Substrate, Größe 2 Zoll x 2 Zoll) mit den Sieben durchgeführt. Die einzelnen Testreihen hatten unterschiedliche Problemstellungen als Hintergrund. So sollte das Druckverhalten der Siebe und der Paste bei unterschiedlichen Druckparametern untersucht werden. Weitere Ziele waren die Untersuchung der Reproduzierbarkeit beim Siebdrucken, das Verhalten des Drucksiebes und der Paste bei hoher Rakelgeschwindigkeit, das Druckverhalten der Paste nach längeren Druckpausen, die Veränderung der Drucke nach mehrmaligem Reinigen des Drucksiebes sowie das Reinigungsergebnis nach dem Eintrocknen der Paste.

Nach dem Drucken der Testsubstrate wurden die Drucksiebe gereinigt. Die Siebreinigung erfolgte von Hand. Dabei wurde zuerst die nicht gedruckte Paste mit Hilfe einer Handrakel weitgehend aus dem Sieb entfernt. Die verbleibenden Pastenreste wurden mit Wasser angelöst und mit Papiertüchern aus dem Gewebe entfernt. Dieser Vorgang wurde mehrfach wiederholt. Anschließend wurde das Sieb mit einem scharfen Wasserstrahl ausgewaschen. Dieses abschließende Waschen des Siebes ist vergleichbar mit dem Entwicklungsprozess bei der Siebstrukturierung. Um die Ergebnisse der Reinigung beurteilen zu können, wurden die Siebe mit Hilfe eines Mikroskops einer optischen Inspektion unterzogen und die Ergebnisse mit Fotos dokumentiert. Die Bilder 6 und 7 zeigen ein Drucksieb, das im Zuge des Druckens der Testreihen dem Reinigungsprozess fünfmal unterzogen wurde. Die Paste wurde vollständig aus dem Sieb entfernt. Die Kantenschärfe der Siebstrukturierung ist nach wie vor sehr gut und es sind keine Ablösungen der Siebbeschichtung erkennbar. Wie gut die Paste selbst aus kleinsten Öffnungen des Siebs entfernt wurde, ist noch deutlicher in Bild 6 erkennbar. Durch die Maschenüberquerung der Druckstruktur entstehen Öffnungen in der Siebbeschichtung, die nur einen kleinen Teil einer Masche freigeben. Auch aus diesen Bereichen ist die Paste rückstandslos entfernt.

Trotz mehrmaligem Reinigen des Drucksiebes mit Hilfe von Papiertüchern und scharfem Wasserstrahl haben sich die inneren Teile der Teststruktur „Stern“ nicht abgelöst. Dies ist in Bild 7 sehr gut zu sehen. Dass die Siebbeschichtung dem Reinigungsprozess auch in diesem Bereich auf eine hervorragende Art und Weise standhält, hat alle Beteiligten an den Arbeiten zur drucktechnischen Erprobung der wasserbeständigen Siebstrukturierungen nachhaltig beeindruckt.

Die Ergebnisse der siebdrucktechnischen Erprobung wasserbeständiger Siebbeschichtungen in Hinblick auf die Siebstrukturierung lassen sich wie folgt zusammen fassen:

• Die Siebbeschichtung zeigt ein hohes Auflösungsvermögen und sehr gute Maßhaltigkeit.

• Das manuelle Reinigen der Drucksiebe zeigt gute Ergebnisse und beschädigt die Siebbeschichtung nicht.

• Auch wenn die Dickschichtpaste bereits in das Sieb eingetrocknet ist, lässt sich das Sieb gut reinigen.

• Das mehrmalige Reinigen der Drucksiebe hat keinen merklichen Einfluss auf die Reproduzierbarkeit der Druckergebnisse.