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DE19615787A1 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Multilayer-Substrats - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Multilayer-Substrats

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DE19615787A1
DE19615787A1 DE19615787A DE19615787A DE19615787A1 DE 19615787 A1 DE19615787 A1 DE 19615787A1 DE 19615787 A DE19615787 A DE 19615787A DE 19615787 A DE19615787 A DE 19615787A DE 19615787 A1 DE19615787 A1 DE 19615787A1
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foils
ceramic
green ceramic
ceramic foils
conductive paste
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Ulrich Dr Goebel
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Robert Bosch GmbH
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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Herstellung eines keramischen Multilayer-Substrats nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung aus.
Ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Multilayer- Substraten ist beispielsweise aus der DE 43 09 005 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden grüne Keramikfolien, also flexible, ungebrannte Keramikfolien im Rohzustand, mit Leiterbahnen und Durchkontaktierungen, sogenannten Vias, versehen. Zu diesem Zweck werden zunächst Löcher für die Durchkontaktierungen in die grünen Keramikfolien gestanzt. Anschließend werden auf den Keramikfolien Leiterbahnen im Siebdruckverfahren mit einer Leitpaste gedruckt. Die zuvor gestanzten Löcher für die Vias werden entweder beim Drucken der Leiterbahnen mit Leitpaste aufgefüllt oder in einem se­ parat durchgeführten Druckvorgang vor dem Drucken der Lei­ terbahnen mit Leitpaste gefüllt. Dieses Verfahren wird auch zur Herstellung von LTCC-Substraten (Low temperature cofired ceramics) angewandt, die sich von den übrigen keramischen Multilayer-Substraten dadurch unterscheiden, daß Keramikfo­ lien verwandt werden, die bereits bei Temperaturen unterhalb von 900°C gebrannt werden können. Bei diesen niedrigen Sin­ tertemperaturen können sehr preiswerte Leitpasten für die Herstellung der Leiterbahnen verwandt werden. Nach dem Be­ drucken der Keramikfolien werden diese getrocknet und in ei­ nem Stapel übereinander angeordnet. Anschließend wird der so gebildete Stapel laminiert und schließlich gebrannt.
Die im bisherigen Stand der Technik zur Herstellung von ke­ ramischen Multilayer-Substraten verwandten Leitpasten ent­ halten ein organisches, leichtflüchtiges Lösungsmittel, wel­ ches teilweise in die grünen Keramikfolien eindiffundiert. Derartige Lösungsmittel sind zum Beispiel Alkohole oder Ter­ pineole. Nach dem Drucken der Leiterbahnen beziehungsweise der Durchkontaktierungen und vor dem Stapeln und Brennen der grünen Keramikfolien müssen die Keramikfolien jeweils in ei­ nem Trockner getrocknet werden, da die auf die Keramikfolien aufgebrachte Leitpaste nicht ungetrocknet in die Folien ein­ gebrannt werden kann, anderenfalls würde eine spontane Ver­ dampfung des in der Leitpaste enthaltenen Lösungsmittels bei den hohen Brenntemperaturen der Keramikfolien zu Riß- und Blasenbildungen in den keramischen Multilayer-Substraten führen. Als äußerst nachteilig muß dabei angesehen werden, daß der Trocknungsprozeß der grünen Keramikfolien eine äu­ ßerst aufwendige Unterbrechung des Herstellungsverfahrens darstellt. Die einzelnen Keramikfolien werden bei leicht er­ höhten Temperaturen so lange getrocknet, bis der überwiegen­ de Anteil des Lösungsmittels verdampft ist. Darüber hinaus kommt es beim Verdampfen des Lösungsmittels aus der Leitpa­ ste und beim Verdampfen des in die Keramikfolien eindiffun­ dierten Lösungsmittels zu einer nachteiligen Schrumpfung von Leiterbahnen und Keramikfolien. Da die Keramikfolien nicht alle um genau den gleichen Betrag schrumpfen, kann es zu Verzerrungen der Leiterbahnstruktur auf den grünen Keramik­ folien kommen. Bei dem nach dem Trocknen anschließend durch­ geführten Stapeln der Keramikfolien können Versetzungen und Verlagerungen zwischen den Leiterbahnen und Durchkontaktie­ rungen zweier übereinander befindlicher Keramikfolien das Zustandekommen eines elektrischen Kontakts an den gewünsch­ ten Positionen teilweise oder völlig verhindern. Das nach dem Brennen gebildete Multilayer-Substrat wird dadurch un­ brauchbar.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den großen Vor­ teil, daß die grünen Keramikfolien vor dem Stapeln nicht ge­ trocknet werden müssen. Durch die Verwendung einer Leitpa­ ste, welche als Druckträger ein Wachs enthält und keine leichtflüchtigen Lösungsmittel aufweist, entfällt die zeit­ aufwendige Trocknung der grünen Keramikfolien. Die Folien können unmittelbar nach dem Drucken der Leiterbahnen und Durchkontaktierungen gestapelt und gebrannt werden. Da die Trockenzeiten entfallen, können die keramischen Multilayer- Substrate sehr viel schneller gefertigt werden. Darüber hin­ aus besteht der große Vorteil, daß eine Schrumpfung der Lei­ terbahnen und der grünen Keramikfolien vor dem Brennen ver­ mieden wird. Eine Verzerrung der feinen Leiterbahnstrukturen auf den grünen Keramikfolien ist somit ausgeschlossen. Beim Stapeln und Brennen der Keramikfolien ist sichergestellt, daß elektrische Kontakte zwischen Leiterbahnen und Durchkon­ taktierungen zweier übereinander angeordneter Keramikfolien auch tatsächlich an den gewünschten Positionen gebildet wer­ den. Insgesamt wird die Präzision des hergestellten kerami­ schen Multilayer-Substrats hierdurch entscheidend verbes­ sert.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Zur Herstellung eines keramischen Multlayer-Substrats werden ungebrannte grüne Keramikfolien verwandt. Die grünen Kera­ mikfolien bestehen aus Keramikpartikeln, einem anorganischen Binder und einem organischen Bindemittel. Geeignete Materia­ lien für diese Komponenten werden beispielsweise in der US 50 85 720 aufgelistet. Die grünen Keramikfolien weisen eine flexible Struktur auf und können leicht bearbeitet werden. So ist zum Beispiel das Stanzen von Löchern für Durchkontak­ tierungen (Vias) in dieser Phase der Substratherstellung leicht möglich. Nachdem die Keramikfolien mit den Durchkon­ taktierungslöchern versehen wurden, werden diese in einem Druckvorgang mit einer Leitpaste gefüllt. Danach werden in einem weiteren Druckvorgang die Leiterbahnen auf die Kera­ mikfolien aufgedruckt. Beim Drucken wird eine Leitpaste ver­ wandt, die keine leichtflüchtigen Lösungsmittel als Druck­ träger enthält. Die Leitfähigkeit der Paste wird durch eine große Anzahl kleiner Metallpartikel, z. B. Silberpartikel mit einer Korngröße von 0,5 µm-10 µm, hervorgerufen. Als Druckträger enthält die Leitpaste ein aus organischen Ver­ bindungen bestehendes Wachs, das bei einer Temperatur unter­ halb eines Temperaturbereiches von etwa 40°C bis 70°C fest bis knetbar ist und oberhalb dieses Temperaturbereiches un­ zersetzt in den dünnflüssigen Zustand übergeht. Besonders gut geeignet sind Leitpasten mit einem Wachs, das bei ca. 60°C bis 70°C in den flüssigen Zustand übergeht. Bei der Herstellung der Leiterbahnen und der Durchkontaktierungen auf den grünen Keramikfolien wird die Leitpaste auf eine Temperatur von mehr als 70°C erhitzt, so daß die Paste druckfähig wird und die für den Druckvorgang erforderlichen rheologischen Eigenschaften aufweist. Derartige Pasten wer­ den derzeit zu anderen Verwendungszwecken, zum Beispiel un­ ter der Bezeichnung ENVIROTHERM-Pasten, im Handel angeboten. Da die gedruckte Paste kein leichtflüchtiges Lösungsmittel enthält, diffundiert beim Druckprozeß auch kein Lösungsmit­ tel in die grünen Keramikfolien ein. Es entfällt somit eine mit einer Schrumpfung verbundene Trocknung der Keramikfoli­ en, bei der die leicht flüchtigen Lösungsmittel aus der Leit­ paste und den Keramikfolien ausgedampft werden. Nach dem Drucken der Leiterbahnen erstarrt das Wachs in der Leitpaste nach einer kurzen Zeit des Abkühlens, wodurch die Leiterbah­ nen in ihrer Position und Dimensionierung auf den grünen Ke­ ramikfolien fixiert sind. Die grünen Keramikfolien können nun ohne Trockenzeiten justiert übereinander gestapelt wer­ den. Da das auf die grünen Keramikfolien mit hoher Präzision aufgebrachte Leiterbahnbild unmittelbar nach Abkühlung der Leitpaste erstarrt, müssen keine zusätzlichen Stabilisie­ rungsmaßnahmen zur Vermeidung einer Verzerrung oder Verfor­ mung des Leiterbahnbildes getroffen werden. Der so gebildete Stapel wird nun laminiert und schließlich in einem Ofen ge­ brannt. Beim Brennen werden die organischen Bindestoffe der grünen Keramikfolien rückstandslos verbrannt. Beim Sintern wird schließlich das eigentliche Keramiksubstrat gebildet, wobei der anorganische Binder als Matrix wirkt, durch welche die Keramikpartikel miteinander verbunden werden. Gleichzei­ tig wird das in der Leitpaste der aufgebrachten Leiterbahnen und Durchkontaktierungen enthaltene organische Wachs pyroli­ siert und entweicht durch die poröse Keramik aus dem Stapel. Dabei werden die in der Paste enthaltenen Metallpartikel elektrisch leitend miteinander verbunden, so daß das in meh­ reren Schichten des Multilayer-Substrats vorgesehene Leiter­ bild aus elektrisch verbundenen Leiterbahnen und Durchkon­ taktierungen ausgebildet wird.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Multilayer- Substrats, insbesondere eines LTCC-Substrats, wobei auf meh­ reren grünen Keramikfolien Leiterbahnen und/oder Durchkon­ taktierungen im Druckverfahren aus einer Leitpaste herge­ stellt werden, und anschließend die grünen Keramikfolien in einem Stapel übereinander angeordnet und gebrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Leiterbahnen und Durchkontaktierungen eine mit einem Wachs versehene Leitpaste verwandt wird, die frei von leichtflüchtigen Lö­ sungsmitteln ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitpaste ein Wachs enthält, das bei etwa 60°C bis 70°C in den flüssigen Zustand übergeht.
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