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DE2315797C3 - Verfahren zur Herstellung von Keramiksubstraten für Dünnschichtschaltungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Keramiksubstraten für Dünnschichtschaltungen

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DE2315797C3
DE2315797C3 DE2315797A DE2315797A DE2315797C3 DE 2315797 C3 DE2315797 C3 DE 2315797C3 DE 2315797 A DE2315797 A DE 2315797A DE 2315797 A DE2315797 A DE 2315797A DE 2315797 C3 DE2315797 C3 DE 2315797C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Keramiksubstraten für Dünnschichtschaltungen, bei dem eine durch Brennen in einen keramischen Körper überführbare Gußmasse hergestellt wird, die dann zum Trocknen auf eine Unterlage schichtförmig ausgegossen wird, wobei eine lederartige zähe, »grüne« Substratfolie entsteht, aus der gewünschte Formen ausgestanzt und dann gebrannt werden.
Auf Grund ihrer hervorragenden Isolatoreigenschaften sind die keramischen Werkstoffe ein bevorzugtes Material für die Herstellung von Substraten für elektronische Schaltungen. Dünnschichtelemente stellen besondere Anforderungen an die Oberflächengüte der Substrate, denn die Schichtdicken auf einem solchen Substrat liegen im Bereich von 100 bis mehreren 1000 Ä. Bei zu großer Oberflächenrauheit der Substrate ergeben sich keine geschlossenen Schichten dieser Dicke.
Für Dünnschichtschaltungen geeignete Substrate werden in bekannter Weise beispielsweise gemäß der Auslegeschrift 17 71216 hergestellt. Aufgabe dieses bekannten Verfahrens ist es, eine Substratmasse anzugeben, die beim Brennen besonders homogen und porenfrei bleibt. Hier wird insbesondere die Verwendung einer Tonerde vorgeschlagen, deren Korngrößenverteilung in einem breiten Bereich gestaffelt ist. Um Verwerfung beim Brennen der Substrate zu vermeiden, sollen die Substrate beim Brennen mit vorgebrannten Formteilen beschwert werden. Eine starke Belastung durch die Formteile verhindert eine Schrumpfung der Substrate während des Brennens. Es bilden sich jedoch Risse. Andererseits ist eine geringere Belastung durch die Formteile beim Brennen nicht ausreichend, um das Aufwerfen und Wellen der Substrate zu verhindern.
Eine Aufgabe der Erfindung isi es, Substrate mit noch weiter verbesserter Oberfläche ohne Verwerfungen und rißfrei herzustellen.
Die Lösung besteht in einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate im grünen, luftgetrockneten Zustand zwischen hochglatten, planparallelen Flächen einem Druck bis ca. 1000 kp/cm- ausgesetzt werden.
Mit diesem überraschend einfachen Verfahrensschritt v/erden geringfügige Dickenunterschiede der Substrate -, ausgeglichen und die Oberflächengüte durch die angepreßten glatten Stempel verbessert, so daß schließlich beim Brennen keine Verwerfungen auftreten. Die Dauer der Druckeinwirkung beträgt ca. 1 bis 3 min.
ίο Für die Preßstempel sind hochglanzpolierte Metallflächen vorgesehen. Vorteilhaft ist es, diese mit extrem oberflächenglatten Kunststoffolien zu beschichten. Dadurch vermeidet man Anklebeerscheinungen des Substrates an die Stempel.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, die auf diese Weise vorbehandelten dünnen Substrate beim Brennen mit vorgebrannten Substraten oder Formteilen abzudecken; damit schützt man die Oberflächen vor Ofenschmutz. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß das Beschweren der zu brennenden Substrate ohne Qualitätseinbuße unterbleiben kann.
Die so hergestellten Substrate weisen gegenüber den nach herkömmlichen Verfahren erzeugten eine um ca. 30% verringerte Oberflächenrauheit auf. Ungleichmäßigkeiten in der Schichtdicke sind ausgeglichen.
Nach dem Brennen wurde die Oberflächengüte mit dem Penh-O-Meter der Firma Perthen gemessen. Dabei wird die Bewegung einer Diamantnadel entsprechend dem abgetasteten Profil durch elektrische Mittel vergrößert und aufgezeichnet. Dabei ergab sich bei Substraten, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurden, eine mittlere Rauhtiefe Ra von 0,07 bis 0,10 (im. Substrate, die hergestellt wurden, ohne daß !5 die grünen Substratfolien gemäß der Erfindung gepreßt wurden, wiesen Ra-Werte zwischen 0,10 und 0,170 μΐπ auf. Diese Werte beziehen sich auf das unten angegebene Gußmasserezept.
Auf Wunsch der Prüfungsstelle wurde am 26. 7. 1978 an noch vorhandenen, alten Reststücken bei einer Vorführung die Oberflächenverbesserung durch Nachpressen an 15 ungebrannten Proben demonstriert. Die Ergebnisse der Messungen wurden über den gesamten Bereich verteilt und die Werte von 7 Proben in der auf die Beschreibung folgenden Liste zusammengestellt. Dabei wurden die in der Liste enthaltenen Probenwerte gemessen. Mit Seite 1 ist die Brandoberseite und mit Seite 2 die Brandauflagenseite bezeichnet.
Die Proben I und X waren zwischen hochglanzpolierten Stahlplatten gepreßt und erbrachten Durchschnittsrauhigkeitswerte an der Brandoberseite von 0,132 bis 0,1 51, wobei jedoch die Probe X ein gegossenes Substrat darstellte.
Die nicht nachgepreßten Proben VIII und IX erbrachten Durchschnittsrauhigkeitswerte an der Brandoberseite von 0,363 bis 0,450.
Die zwischen unpolierten Platten nachgepreßten Proben VI und VII ergaben Durchschnittsrauhigkeitswerte an der Brandoberseite von 0,406 bis 0,442.
do Die zwischen zwei unpolierten Platten nachgepreßte aber gegossene Probe XIII erbrachte einen Durchschnittsrauhigkeitswert an der Brandoberseite von 0,217.
Das Nachpressen zwischen hochglanzpolierten Plat- '■>=> ten brachte eine deutliche Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit besonders bei stranggepreßten Substraten.
Zur Herstellung der Gußmasse wird Tonerde
genahlen und mit einem Lösungsmittel und einem Bindemittel versehen, wobei das Lösungsmittel gegenüber dem Bindungsmittel lösungsfähig ist und bereits bei niedrigen Temperaturen bei der Trocknung der Gußmasse entweicht. Das Bindemittel hält auch nach Entweichen des Lösungsmittels die Tonerdepartikel zusammen. Es entweicht erst bei der Brenntemperatur, ohne Risse und Löcher zu hinterlassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert bei jeder Gußmasse die Oberflächengüte des fer igen Substrates.. Die folgende Gußmasse ist jedoch besonders vorteilhaft:
Al2O3 60,6 g
Polyvinylbutyral 3,3 g
Polyäthylenglycol-bis-2-äthylcapronat 4,8 g
Alkylphenyläther des Polyäthylenglycols 1,2 g
Äthanol 23,0 g
Toluol 9,7 g
Talk OJ g
Die Brenntemperatur liegt zwischen 1200° und 1500 C.
Oberflächenaufnahmen mit eisern Rasterelektronenmikroskop zeigen, daß der günstigste Brennbereich bei 1450° bis 1530° C liegt, weil in diesem Bereich ein Dichtsintern erfolgt und das grundsätzlich immer vorhandene Kornwachstum noch nicht zu einer zu starken Verschlechterung der Oberflächenrauhigkeit führL Bei wesentlich höheren Temperaturen würde ein derart großes Kornwachstum auftreten, daß die durch Hochglanz-Vorpressen erzielten Oberflächenverbesserungen wahrscheinlich nicht mehr nachweisbar wären.
Die Proben, bei denen die unterschiedlichen Oberflächengüten gemessen wurden, sind zwischen 1450° und 1530° C gebrannt worden.
Oberflächenrauhigkeitswerte nachgepreßter und nicht nachgepreßter AKOj-Folien
Brandoberseite Brandauflageseite
Probe I (slranggepreßte Folie zwischen zwei hochglanzpolierten Folien nachgepreßt)
0,180 0,075 0,190 0,055 0,158 *) Durchschnittswert 0,132 am Durchschnittswert
0,185 0,292 0,152 0,214 (U68 0,222 am
Probe VI (stranggepreßte AljOi-Folie zwischen unpolierten Platten nachgepreßt)
0,628 0,730
0,398 0,452
0,342 0,427
0,402 0,495
0,438 0,462
*) Durchschnittswert 0,442 am Durchschnittswert 0,513 um
Probe VII (wie Probe VI)
0,345 0,475 0,392 0,435 0,382 *) Durchschnittswert 0,406 μηι 0,415 0,212 0,640 0,405 0,417 Durchschnittswert 0,418 μηι
Probe VIII (stranggepreßte Al2Oj-FoHe nicht nachgepreßt)
0,318 0,345
0,300 0.345
0,340 0.853
0,387 0,332
0,408 0.376
*) Durchschnittswert 0,351 am Durchschnittswert 0.450 um
Forlsetzung
Brandobcrscitc
Brandauf-Uigcscitc
Probe IX (wie Probe VIII)
0,208 0,350 0,486 0,351 0,419 *) Durchschnittswert 0,363 a
0,333 0,335 0,467 0,430 0,351 Durchschnittswert 0,383 am
Probe X (gegossene AbOi-Folie zwischen zwei hochglanzpolierten Folien nachgepreßt)
0,132 0,142 0,170 0,148 0,162 *) Durchschnittswert 0,151 am
0,145 0,200 0,260 0,125 0,142 Durchschnittswert 0,174 am
Probe XIIl (gegossene AI2Oi-FoUe zwischen zwei unpolierten Platten nachgepreßt)
0,185 0,220 0,210 0,238 0,232 *) Durchschnittswert 0,217 am
0,200 0,265 0,288 0,282 0325 Durchschnittswert 0,272 am
*) Durchschnittswert = Mittelwert aus 5 llinzclmcssungen der Rauhticfc R11 (McUslrcckc 5 mm) gemessen parallel zujcdcrdcr4 Ränder der Folie und über die Diagonale, bei Brandoberseite und BrandauHagcscitc.
Hier/u 5 BhUt /.eichiiuimcn

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Kerarniksubstraten für Dünnschichtschaltungen, bei dem eine durch Brennen in einen keramischen Körper Oberführbare Gußmasse hergestellt wird, die dann zum Trocknen auf eine Unterlage schichtförmig ausgegossen wird, wobei eine lederartige zähe, »grüne« Substratfolie entsteht, aus der gewünschte Formen ausgestanzt und dann gebrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate im grünen, lufttrokkenen Zustand zwischen hochglatten, planparalleSen Flächen einem Druck bis ca. 1000 Kp/cm2 ausgesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßstempel hochglanzpolierte Metallflächen besitzen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßstempel hochglatte Kunststoffoberflächen besitzen.
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