DE3428259C2

DE3428259C2 -

Info

Publication number: DE3428259C2
Application number: DE3428259A
Authority: DE
Inventors: Shosaku Kamakura Jp Ishihara; Takashi Yokohama Jp Kuroki; Gyozo Hino Jp Toda; Akio Shimoinayoshi Ibaraki Jp Yasukawa; Tatsuji Ibaraki Jp Sakamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-08-25
Filing date: 1984-07-31
Publication date: 1987-11-19
Also published as: DE3428259A1; US4604496A; JPS6047495A; JPH025315B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf mehrlagige keramische Schaltungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Allgemein werden mehrlagige keramische Schaltungen mit durchgehenden Löchern versehen, die mit Leitermaterial zum Verbinden der einzelnen Verdrahtungsmuster untereinander gefüllt werden. Bei herkömmlichen mehrlagigen keramischen Schaltungen, wie in Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht, war der Durchmesser jedes mit einem Leiter 2 gefüllten Lochs 3 sowohl in den Ober flächen- als auch in den Innenbereichen der keramischen Iso lierschichten gleich, wie die Anordnungen nach den US-PS 43 45 955 und 42 37 606 zeigen.

Solche herkömmlichen mehrlagigen keramischen Schaltungen neigten dazu, daß Risse 4 um die mit dem Leiter gefüllten Löcher 3 herum, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des der für die Isolierschichten verwendeten keramischen Materialien und des Leiters in den Löchern auftraten.

Aus der DE-OS 25 58 361 ist ein Verfahren zum Herstellen von durchgehend metallisierten Bohrungen in mehrlagigen keramischen Schaltungen bekannt, bei dem die Bohrungen in den keramischen Folien vor dem Sintern nur oberflächlich metallisiert werden und sich für die Aufnahme von Anschlußstiften eignen. Den übereinandergestapelten keramischen Folien kann noch wenigstens eine keramische Folie hinzugefügt werden, die voll ausgefüllte metallisierte Bohrungen enthält, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Bohrungen in den übrigen Folien ist und damit das Ende der übrigen, miteinander ausgerichteten, zur Aufnahme von Anschlußstiften geeigneten Bohrungen verschießt, wobei an der Außenoberfläche der voll ausge füllten metallisierten Bohrung jedoch kein Verdrahtungsmuster vorliegt. Auf die Probleme einer Rißbildung um die voll ausgefüllte metallisierte Bohrung wegen des Unterschieds der Wärmeausdehnungs koeffizienten des keramischen Folienmaterials und des leitenden Bohrungsfüllmaterials geht die DE-OS 25 58 361 nicht ein.

Die EP-A2-00 62 763 beschreibt ein einlagiges keramisches Substrat mit einer Vielzahl von Metallstiften, die in Bohrungen des Substrats verankert sind. Zur Herstellung dieser Anordnung sintert man zunächst Metallpulver in Bohrungen des Substrats ein, legt auf das Substrat einen Träger mit zu diesen Bohrungen im wesentlichen ausgerichteten, vorzugsweise einen größeren oder kleineren Durchmesser aufweisenden Bohrungen, füllt diese mit Metallpulver, sintert die Metallpulverfüllungen beider Bohrungsgruppen unter Bildung der Metallstifte zusammen und entfernt damit gleichzeitig den Träger durch Zersetzung oder Verdampfung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mehrlagige keramische Schaltungen zu entwickeln, die gegen Rißbildung in den keramischen Isolierschichten an den Lochrändern an den beiden Oberflächen der mehrlagigen Schaltungen beim Sinterprozeß und Wärmebehandeln ge sichert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hierdurch wird erreicht, daß beim Sintern und Wärmebehandeln der mehrlagigen keramischen Schaltung die genannte Rißbildung ver mieden wird. Außerdem treten keine Verwerfungen der Schaltung auf, auch wenn die Dicke der Schaltung im Vergleich mit herkömmlichen Schaltungen mit gleicher Verdrahtungsdichte verringert wird.

Ausgestaltungen der Erfindung zeigen die Unteransprüche.

In der Zeichnung werden der Stand der Technik sowie die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen mehrlagigen keramischen Schaltung;

Fig. 2 eine Skizze zur Darstellung der Bildung feiner Risse rings um die mit einem Leiter gefüllten Löcher in der Oberfläche einer herkömmlichen mehrlagigen keramischen Schaltung;

Fig. 3-1 bis 3-5 und Fig. 4-1 bis 4-3 Ablaufpläne zur Darstellung der aufeinanderfolgenden Schritte zur Herstellung von mehrlagigen keramischen Schaltungen gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit zwischen der auf die Grenzfläche zwischen dem die Löcher füllenden leitfähigen Material und einer Oberfläche der Schaltung bei thermischen Behandlungen einwirkenden Zugbeanspruchung von Lochdurchmessern an der Oberfläche der Schaltung und vom Abstand zwischen den Löchern; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Änderung der auf das keramische Material um die durchgehenden Löcher herum einwirkenden Zug beanspruchung in der Dickenrichtung.

Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand mehrerer Ausführungs beispiele beschrieben.

Beispiel 1 Herstellung einer Rohplatte

Pulver von Al₂O₃, SiO₂ und MgO mit einer Teilchengröße von 5 µm oder weniger wurden ausgewogen und vermischt, so daß ihre Anteile 93 bzw. 5,2 bzw. 1,8 Gew.-% wurden. Dieser Mischung wurde Polyvinylbutyral als organisches Bindemittel in einer Menge von 8,5 Gew.-% auf Basis des Gesamtgewichts der Mischung zugesetzt, worauf ein weiterer Zusatz eines Lösungsmittels in einer Menge von 45 Gew.-% auf Basis des Gesamtgewichts der Mischung folgte.

Diese Materialien wurden in einer Kugelmühle zur Bildung einer Auf schwemmung gut durchgemischt, in der die keramischen Pulver gleichmäßig verteilt waren. Dann wurden einige Tropfen eines Entschäumungs mittels der Aufschwemmung zugesetzt, und die letztere wurde gerührt und bei vermindertem Druck entlüftet, um Luftzellen in der Auf schwemmung zu beseitigen. Diese Aufschwemmung wurde unter Ver wendung einer Abstreif messer-Gießmaschine zu einer dünnen Rohplatte gegossen.

In diesem Beispiel wurden zwei Arten von Rohplatten, eine mit einer Dicke von 0,25 mm und die andere mit einer Dicke von 0,1 mm, hergestellt.

Herstellung einer leitenden Paste

Ein W (Wolfram)-Pulvermaterial, das aus einer (gewichtsmäßig) 3 : 7-Mischung von W-Pulver einer Durchschnittsteilchengröße von 0,5 µm und W-Pulver einer Durchschnittsteilchengröße von 3,0 µm hergestellt war, Äthylzellulose als organisches Bindemittel und Diäthylenglycol als organisches Lösungsmittel wurden im Verhältnis von 80 : 2,5 : 17,5 in Gew.-% vermischt, und die Mischung wurde mit einem aus einem Aluminium oxidmörser und einem Stößel bestehenden Zerreibungsgerät 3 h gemahlen und vermischt. Diese Mischung wurde in einer üblichen Dreiwalzenmühle einem 30minütigen Kneten unterworfen. 100 g dieses gekneteten Materials wurden 3 g Butylcarbitol zugesetzt. Die erhaltene Mischung wurde mit einer Dreiwalzenmühle 10 min geknetet, um eine leitende Paste zu erhalten.

Herstellung einer mehrlagigen keramischen Schaltung

Die in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltene 0,25 mm dicke Rohplatte wurde zu einer 80 mm × 80 mm-Rohplatte 5 geschnitten, wie sie in Fig. 3-1 dargestellt ist. Diese Rohplatte 5 wurde einem Stanzen mit einer Blankpräge mit einem Karbidstift zur Bildung von insgesamt 2500 durchgehenden Löchern 3 mit einem Durchmesser von 0,15 mm in Abständen von 0,5 mm in 50 Reihen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung unterworfen, wie in Fig. 3-2 angedeutet ist.

Dann wurde die genannte leitende Paste durch Siebdruck auf die Rohplatte 5 aufgebracht, um die Löcher 3 mit der leitenden Paste zu füllen und ein 0,1 mm breites Verdrahtungsmuster auf der Rohplatte 5 zu bilden und so eine nichtausgebackene (rohe) Schaltungsplatte her zustellen, wie sie in Fig. 3-3 gezeigt ist.

Eine andere im vorhergehenden Schritt erhaltene 0,1 mm dicke Roh platte wurde ebenfalls in der oben beschriebenen Weise behandelt (Fig. 3-2), um insgesamt 2500 durchgehende Löcher mit einem Durch messer von 0,80 mm in Abständen von 0,5 mm in 50 Reihen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung zu bilden, und weiter nach dem Verfahrensschritt nach Fig. 3-3 behandelt, um die Löcher 3 mit der leitenden Paste zu füllen und ein 0,1 mm breites Verdrahtungs muster auf der Rohplatte 5′ zu bilden und damit eine nichtausgebackene Schaltungsplatte herzustellen (Fig. 3-4).

Dann wurden 18 nichtausgebackene Schaltungsplatten nach Fig. 3-3 übereinander gestapelt, um einen Stapel dieser Schaltungs platten zu bilden, und weiter wurden die in Fig. 3-4 dargestellten nichtausgebackenen Schaltungsplatten auf die Ober- und Unterseite des Plattenstapels gelegt, so daß das Verdrahtungsmuster an die Außenseite kam, wie in Fig. 3-4 gezeigt ist, und sie wurden durch Heißpressen mit 500 N/cm² bei 100°C laminiert, um eine nichtausge backene mehrlagige Schaltungsplatte herzustellen, wie sie in Fig. 3-5 dargestellt ist.

Diese nichtausgebackene Schaltungsplatte wurde von Raumtemperatur auf 100°C mit 200°C/h in einem kastenförmigen elek trischen Ofen unter Verwendung von Molybdän als Heizelement erhitzt und auf dieser Temperatur 1 h gehalten. Danach wurde sie erneut mit 200°C/h bis auf 1600°C erhitzt und auf dieser Temperatur 1 h zum Abschluß des Ausbackens gehalten. Hierauf erfolgte die Abkühlung der mehrlagigen keramischen Schaltung.

Bei dem vorstehenden Verfahren wurden das Erhitzen und das Abkühlen in einer Wasserdampf enthaltenden Gasmischung von N₂ und H₂ (5 : 2) durchgeführt. Zur Schaffung dieser Atmosphäre wurden diese beiden Gase, d. h. N₂- und H₂-Gas, in den elektrischen Ofen mit Strömungsdurchsätzen von 1000 l/h bzw. 400 l/h durch einen Wasser von 45°C enthaltenden Gasspüler eingeführt.

Die erhaltene mehrlagige keramische Schaltung hatte eine Dichte von 3,5 g/m³ und einen Schrumpfungsfaktor von 14%.

Die lichtmikroskopische Untersuchung der Flächenbereiche um die 2500 Löcher in der Schaltung zeigten kein Zeichen von Rissen in diesen Bereichen.

Bei den so erhaltenen mehrlagigen keramischen Schaltungen kann auch die Verdrahtungsdichte gesteigert werden, da es möglich ist, den Abstand zwischen den mit einem Leiter gefüllten durchgehenden Löchern in der Oberfläche der Schaltung zu verkleinern. Es ist außerdem ein Vorteil der Erfindung, daß sich die Dicke der Schaltung im Vergleich mit den herkömmlichen Schaltungen mit gleicher Verdrahtungsdichte verringern läßt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die erfindungsgemäße keramische Schaltung gegenüber Verwerfungen sicher ist, auch wenn die Schaltungsdicke verringert wird, da die Front- und die Rückseite der Schaltung von einem untereinander gleichen Aufbau sind.

Beispiel 2 Herstellung einer keramischen Paste

Al₂O₃-, SiO₂- und MgO-Pulver mit einer Maximalteilchengröße von höchstens 5 µm wurden im Verhältnis von 93 : 5,2 : 1,8 in Gew.-% vermischt. 100 g dieser Mischung wurden 0,5 g Äthylzellulose und 5,5 g Polyvinyl butyral als organisches Bindemittel und 36 cm³ Trichloräthylen sowie 8 cm³ Perchloräthylen als organisches Lösungsmittel zugesetzt. Diese Materialien wurden in der gleichen Weise vermischt und geknetet, wie im Abschnitt "Herstellung einer leitenden Paste" im Beispiel 1 beschrieben ist, um eine keramische Paste zu erhalten.

Herstellung einer mehrlagigen keramischen Schaltung

Eine 80 mm × 80 mm × 0,25 mm dicke Rohplatte, die in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 hergestellt war, wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 behandelt, um insgesamt 2500 durchgehende Löcher zu bilden, die alle einen Durchmesser von 0,15 mm hatten und in Abständen von 0,5 mm in 50 Reihen sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung angeordnet waren.

Diese Rohplatte wurde dem Siebdruck unterworfen, um die Löcher 3 mit einer leitenden Paste 2, wie sie im Beispiel 1 verwendet wurde, zu füllen und so eine Rohplatte gemäß Fig. 4-1 zu erhalten.

Die obenerwähnte keramische Paste wurde durch Siebdruck auf eine Seite jeder der beiden Rohplatten aufgebracht, um eine 0,1 mm dicke gedruckte Schicht 10 mit durchgenden Löchern 9 an einer Seite der 80 mm × 80 mm × 0,25 mm dicken Rohplatte 5 vorzusehen, wie in Fig. 4-2 gezeigt ist. Dann wurde weiter eine wie im Beispiel 1 verwendete leitende Paste durch Siebdruck aufgebracht, um die durchgehenden Löcher 9 mit der leitenden Paste zu füllen und ein 0,1 mm breites Verdrahtungs muster 8 zu bilden.

Auch wurde die 80 mm × 80 mm × 0,25 mm dicke Rohplatte mit 2500 durch gehenden Löchern nach der gleichen Weise wie im Beispiel 1 versehen, und 18 solche Rohplatten wurden durch Übereinanderlegen gestapelt. Dann wurde die mit der gedruckten Schaltung ausgebildete Rohplatte auf beide Seiten des Stapels der 18 Platten gelegt, so daß die bedruckte Schicht zur Außenseite lag, und sie wurden nach dem Verfahren gemäß Beispiel 1 laminiert und ausgebacken, um eine mehrlagige keramische Schaltung herzustellen (Fig. 4-3).

Die so erhaltene keramische Schaltung hatte eine Dichte von 3,5 g/cm³ und einen Schrumpfungsfaktor von 14%.

Die lichtmikroskopische Untersuchung der Bereiche um die 2500 durch gehenden Löcher in der Schaltung ergaben das gleiche Ergebnis, wie im Beispiel 1 beschrieben.

Es wurde auch gefunden, daß die so erhaltene mehrlagige keramische Schaltung die gleichen ausgezeichneten Vorteile auf wies, wie sie bei dem Erzeugnis des Beispiels 1 festgestellt wurden.

Beispiel 3

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Rißbildungsneigung rings um die durchgehenden Löcher der mehrlagigen keramischen Schaltungen anderen Oberflächen in Abhängigkeit vom Lochdurchmesser (mm) auf beiden Außen seiten der Schaltung, wobei die Abstände zwischen den Löchern variable Werte von 0,2 mm, 0,3 mm, 0,5 mm bzw. 1 mm aufweisen. Im keramischen Substrat treten Risse auf, wenn eine Zugbeanspruchung über 100 N/mm² auf die Grenz fläche zwischen dem die Löcher füllenden leitenden Material und der keramischen Substratoberfläche einwirkt.

Man sieht, daß der maximale Lochdurchmesser, bei dem keine Rißbildung auftritt, für den Abstand von 0,2 mm 0,103 mm, für den Abstand von 0,5 mm 0,145 mm und für den Abstand von 1,0 mm 0,268 mm ist.

Beispiel 4

Fig. 6 zeigt die Zugbeanspruchung, die auf das keramische Substrat im Kontakt mit dem leitenden Material 2 in jedem durchgehenden Loch 3 in Abhängigkeit von der Lochtiefe von der Plattenoberfläche aus einwirkt. Es ist festzustellen, daß kein Riß um die Löcher herum entsteht, wenn der Lochdurchmesser bis in die Tiefe von 0,1 mm von der Oberfläche der keramischen Schaltung aus verringert wird.

Vergleichsbeispiel

Rohplatten von 80 mm × 80 mm × 0,25 mm wurden nach dem Verfahren des Beispiels 1 hergestellt, und jede Platte wurde mit 2500 durchgehenden Löchern von 0,15 mm Durchmesser in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 versehen. Dann wurden die Löcher mit der Leiterpaste gefüllt, und ein 0,1 mm breites Verdrahtungsmuster wurde gemäß den Verfahrensschritten nach Beispiel 1 aufgedruckt.

20 Stücke der so hergestellten nichtausgebackenen Schaltungs platten wurden durch Heißpressen und Ausbacken nach den im Beispiel 1 angewandten Verfahren laminiert, um eine mehrlagige keramische Schaltung herzustellen.

Die lichtmikroskopische Untersuchung der Bereiche um die durchgehenden Löcher auf beiden Seiten dieser keramischen Schaltung zeigten einen Rißbildungsanteil von 45%.

Claims

1. Mehrlagige keramische Schaltungen, deren auf den keramischen Isolierschichten vorgesehene Verdrahtungsmuster mittels in den Isolierschichten gebildeter durchgehender, zylindrischer Löcher, die mit leitfähigen Materialien gefüllt sind, elektrisch ver bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Oberfläche nach innen gehenden Bereiche der Löcher (3) an beiden Seiten der Schaltung (1) bis in eine Tiefe von jeweils maximal 0,1 mm einen geringeren Durchmesser als die restlichen Lochbereiche aufweisen und der äußere Durchmesser der Löcher (3) derart ausreichend kleiner als der Abstand zwischen den Löchern (3) gewählt ist, daß die auf die Grenzfläche zwischen dem die Löcher (3) füllenden leitfähigen Material und den beiden äußersten keramischen Isolierschichtoberflächen einwirkende Beanspruchung höchstens 100 N/mm² beträgt.

2. Schaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Abstand zwischen den Löchern (3) von 0,2 mm der Loch durchmesser maximal 0,103 mm ist.

3. Schaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Abstand zwischen den Löchern (3) von 0,5 mm der Loch durchmesser maximal 0,145 mm ist.

4. Schaltungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Abstand zwischen den Löchern (3) von 1 mm der Loch durchmesser maximal 0,268 mm ist.