DE69013851T2

DE69013851T2 - Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schaltungsplatte.

Info

Publication number: DE69013851T2
Application number: DE1990613851
Authority: DE
Inventors: Nobuo Ogasa; Mitsuo Osada; Akira Yamakawa
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-11-13
Filing date: 1990-11-09
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2010-11-10
Also published as: DE69013851D1; EP0428086A3; EP0428086A2; JPH03154395A; EP0428086B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schaltungsplatte mit einem leitenden Teil, welcher in der Lage ist, Schaltkreise elektrisch zu verbinden, die auf der vorderen und rückseitigen Oberfläche einer Isolierplatte gebildet sind.

Beschreibung des Standes der Technik

Seit kurzem gibt es einen ansteigend starken Bedarf für kleinformatige und hochzuverlässige elektronische Geräte. Um solchen Anforderungen zu genügen, wurden Verfahren zum Aufbau von integrierten Schaltkreisen aus Verfahren zum Aufbauen von IC-Paketen auf gedruckten Schaltungsplatten gemäß dem Stand der Technik heraus entwickelt hin zu Verfahren zum Mustern einer Leiterschicht, von Widerständen oder ähnlichem hauptsächlich in einer Struktur auf einer Oberfläche eines keramischen Isolatorbrettes beispielsweise oder zum direktem Anbringen eines IC-Chips auf einer Brettoberfläche und hermetischen Abdichten.
Zudem sind entsprechend den Anforderungen einer großskaligen Integration oder Mehrfachfunktionalität von Schaltkreisen Entwicklungen gemacht worden, um Schaltungsplatten zu bilden, welche Schaltkreise nicht nur auf der Vorderfläche einer Isolierplatte, sondern auch auf der Rückseite derselben aufweisen, wobei eine elektrische Verbindung der Schaltkreise auf der Vorder- und der Rückseite der Platte mittels Durchgangslöchern in der Platte vorgesehen ist.
In einer solchen Schaltungsplatte mit Schaltkreisen auf der Vorder- und Rückseite einer Isolatorplatte, die elektrisch verbunden sind, ist es insbesondere für die Teile der Durchgangslöcher in der Platte erforderlich daß
a. die elektrische Verbindung zwischen den Schaltkreisen auf der Vorder- und Rückseite der Platte hinreichend sichergestellt ist, und
b. eine hinreichende Luftdichtigkeit erhalten wird, so daß die Luftdichtigkeit nicht durch die Durchgangslöcher in den Fällen verloren geht, wo der Schaltkreis, der an einer der Flächen der Platte gebildet wurde, hermetisch abgedichtet ist.
Herkömmlich wird ein Verfahren, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, zur Bildung von leitenden Teilen in Durchgangslöchern verwendet, die in einer Platte geformt sind. Dieses Verfahren umfaßt: Bilden der vorbeschriebenen Durchgangslöcher 2 in eine Isolatorplatte 1, Pressen einer Metalpaste 4 in die Durchgangslöcher 2 unter Verwendung einer Gummipresse 3 und Trocknen und Sintern der Metallpaste in den Durchgangslöchern 2, womit metallische Leiterteile in den Durchgangslöchern 2 gebildet werden. Dann werden, wie in A von Fig. 5 gezeigt ist, Leitermuster 5, 6 auf der oberen und unteren Fläche der Leiterteile 4a durch Füllen der Durchgangslöcher 2 der Isolatorplatte 1 gebildet, wodurch die Schaltkreise auf der Vorder- und Rückseite der Isolatorplatte 1 elektrisch miteinander verbunden werden.
Jedoch ist es schwierig das oben erwähnte Verfahren in einer Weise zu verwenden, sodaß die Durchgangslöcher vollständig aufgefüllt sind, wie es in A von Fig. 5 gezeigt ist, und es treten öfters Fehler auf, wie unten beschrieben wird. Wie beispielsweise in B von Fig. 5 gezeigt ist, bildet sich eine Lücke in einem Durchgangsloch, wodurch eine fehlerhafte Verbindung zwischen dem Leitermuster 6 auf der Vorderseite der Platte und dem Leitermuster 6 auf der Rückseite derselben entsteht; oder wie in C von Fig. 5 gezeigt ist, ist das Leitermuster 5 auf der Vorderseite und das Leitermuster 6 auf der Rückseite der Platte durch einen Leiterteil 4a verbunden, welcher mangelhaft in dem Durchgangsloch 2 verbunden ist. Daher kann dieses Verfahren die oben erwähnten Anforderungen für leitende Teile 4a der Durchgangslöcher 2, namentlich das Erfordernis, die elektrische Verbindung vollständig sicherzustellen und das Erfordernis, die Luftdichtigkeit zu erhalten, nicht vollständig befriedigen.
Das Dokument US-4 861 641 offenbart eine Kermaikzusammensetzung, worin Durchgangslöcher mittels eines Infiltrationsverfahrens geformt werden. Für dieses Infiltrationsverfahren werden Durchgänge in dem Rohband an gewünschten Stellen gestanzt und mit einer Metallfüllung gefüllt. Danach wird das Keramiksubstrat vorgebrannt, um eine poröse Schicht in den Durchgängen zu erhalten. Nach dem Vorbrennen wird eine Nickelplattierung auf das Substrat angewendet, um eine ausreichende Benetzung des anschließend angewendeten Metalls an den Durchgängen sicherzustellen. Als nächstes wird ein Infiltrationsmetall auf das vorgebrannte Substrat direkt über den Durchgängen angewendet. Anschließend an die Anwendung des Infiltrationsmaterials wird das Komposit aufgeheizt, um den Infiltrant zu schmelzen. Die Porosität und kleine Leerräume, die in den Durchgängen vorhanden sind, werden durch Hilfsmittel und durch die Verschiebung der Porenräume durch den geschmolzenen Infiltrant entfernt.
Es gibt ein anderes Verfahren, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Dieses Verfahren ist in der japanischen Patentschrift Nr. 63- 64918 offenbart. Gemäß diesem Verfahren werden zunächst vorgeschriebene Durchgangslöcher 2 in einer Isolatorplatte 1 gebildet. Danach wird ein Leitermuster 6 auf der Rückfläche der Platte 1 geformt, um eine Öffnung jedes Durchgangsloches 2 zu bedecken. Danach wird ein Metalldraht 7 mit einem Durchmesser geringfügig kleiner, als der Innendurchmesser jeden Durchgangsloches 2 und einer Länge geringfügig kürzer als die Tiefe jeden Durchgangsloches 2 in jedes Durchgangsloch 2 von der offenen Seite her eingesetzt. Danach wird ein Leitermuster 5 oben auf jeden Metalldraht 7 gebildet, um die andere Seite des Durchgangsloches 2 abzudichten.
Jedoch hat dieses Verfahren ebenfalls einen Nachteil bei der Erhaltung der Luftdichtigkeit der Durchgangslöcher 2. Insbesondere wird die Luftdichtigkeit nur durch die Leitermuster 5, 6 gewahrt, die an den oberen und unteren Öffnungen der Durchgangslöcher 2 gebildet sind und es existiert unvermeidlich eine Lücke zwischen den entsprechenden Metalldrähten 7 und den Durchgangslöchern 2. Wenn eine kleine Lücke bei der Herstellung der Leitermuster 5, 6 entsteht, dann wird dadurch die Luftdichtigkeit verloren. Zudem ist es schwierig, die Arbeit des Einsetzens der Metalldrähte 7 in die Durchgangslöcher 2 zu automatisieren und die Effizienz dieser Arbeit ist nicht hoch.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schaltungsplatte einschließlich durchgehender Leiterteile mit guter elektrischer Verbindung und Luftdichtigkeit zu schaffen, worin insbesondere die Leiterteile die Durchgangslöcher in einer keramischen Schaltungsplatte dicht auffüllen.
Das erfinderische Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schaltungsplatte zur Lösung der obigen Aufgabe ist in Anspruch 1 definiert.
Eine Metallschicht mit einem hohen Schmelzpunkt wird durch das Sintern einer Metallpaste mit hohem Schmelzpunkt in jedem der Durchgangslöcher, die in der Isolierplatte geformt sind, gebildet. Die Hochschmelzpunkt-Metallschicht wird in jedem Durchgangsloch in einem Zustand gebildet, welcher Lücken oder Hohlräume einschließt. Wenn ein kupferhaltiges Metall geschmolzen wird, um in Kontakt mit einer solchen Hochschmelzpunkt-Metallschicht zu gelangen, dringt das geschmolzene Metall in die Hochschmelzpunkt-Metallschicht durch das Kapillaritätsphänomen ein. Auf diese Weise werden Leiterteile geformt, wo Lückenbereiche der Hochschmelzpunkt-Metallschicht dichtig mit dem Kupfer oder ähnlichem ausgefüllt sind. Diese Leiterteile, welche mit der Hochschmelzpunkt-Metallschicht und dem hochleitenden Material wie Kupfer oder ähnlichem gefüllt sind, stellen eine ausreichende elektrische Verbindung zwischen der Vorder- und der Rückseite der Platte sicher. Da zudem die Durchgangslöcher dichtig ausgefüllt sind, ist die Luftdichtigkeit zwischen der Vorder- und der Rückseite der Platte sichergestellt.
Die vorangegangene und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden deutlicher werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fign. 1A, 1B, 1C und 1D sind Ansichten, welche Herstellungsschritte einer keramischen Schaltungsplatte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen.
Fig. 2 ist eine Anicht, welche eine Variante des Herstellungsschrittes zeigt, der in Fig. 1C gezeigt ist.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines integrierten Schaltkreises mit einer keramischen Schaltungs- Platte, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde.
Fig. 4 ist eine Ansicht eines Herstellungsschrittes in einem herkömmlichen Verfahren zur Bildung von leitenden Teilen in einer Schaltungsplatte.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer Schaltplatte, die durch das Verfahren von Fig. 4 gebildet wurde.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht einer Schaltplatte, die gemäß einem anderen konventionellen Verfahren hergestellt wurde.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Mit Bezug zunächst auf Fig. 1A ist ein Durchgangsloch 2 in einem vorgeschriebenen Bereich einer Isolatorplatte 1 gebildet. Eine Platte aus Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxyd (Al&sub2;O&sub3;), Berylliumoxyd (BeO) oder ähnlichem wird verwendet als Isolatorplatte. Insbesondere wird die Platte aus Aluminiumnitrid bevorzugt, da sie eine ausgezeichnete Wärmeabstrahlung und eine niedrige Reaktivität mit Kupfer aufweist und nicht durch das Eindringen von Kupfer in einem nachfolgenden Schritt angegriffen wird.
Als nächstes werden die folgenden zwei Verfahren beschrieben als ein Verfahren zur Bildung einer Hochschmelzpunkt-Metallschicht in dem Durchgangsloch. Gemäß dem ersten Verfahren wird ein Perforationsvorgang auf eine nichtgesinterte AlN- Lage angewendet, um ein Durchgangsloch 2 zu bilden und danach wird eine Paste aus Wolfram (W) (leitende Paste) 10 in das Durchgangsloch 2 unter Verwendung einer Gummipresse 3 eingefügt. Danach werden die AlN-Lage 1 und die Wolframpaste 10 bei einer hohen Temperatur von 1700ºC oder mehr in einer N&sub2;- haltigen Atmosphäre gesintert, wodurch eine Wolframschicht 10a gebildet wird (wie in Fig. 1B gezeigt).
Gemäß dem zweiten Verfahren wird eine AlN-Platte 1 gesintert und ein vorgeschriebenes Durchgangsloch 2 wird gebildet und eine Paste 10 aus Wolfram oder Molybden (Mo) wird in das Durchgangsloch 2 unter Verwendung einer Gummipresse 3 eingefügt. Danach wird die Wolfram- oder Molybdenpaste 10 gesintert in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, so daß eine Wolfram- oder Molybdenschicht 10a gebildet wird (wie in Fig. 1B gezeigt).
Die Hochschmlezpunkt-Metallschicht 10a, die durch ein solches Verfahren gebildet wurde, enthält eine große Anzahl von Lücken, weil das Lösungsmittel in der Paste bei der Sinterung dissipiert wurde. Da es außerdem schwierig ist, genügend leitende Paste in das Durchgangsloch hineinzufüllen, enthält das Durchgangsloch 2 einige Lücken, die nicht vollständig aufgefüllt sind.
Mit Bezug auf Fig. 1C wird eine Kupfer oder Kupferlegierung 11 auf der Unterseite der Öffnung des Durchgangsloches 2 vorgesehen und aufgeheizt und geschmolzen. Dieses Kupfer oder Kupferlegierung 11 kann von einem Plattiertyp (wie in Fig. 1C) oder einem Pulvertyp wie in Fig. 2 sein. Die Heiztemperatur ist 1100ºC oder mehr, vorzugsweise 1200ºC oder mehr wenn Kupfer verwendet wird, wodurch dieses geschmolzen wird. Der Aufheizvorgang wird in einem Strom von Wasserstoff durchgeführt.
Mit Bezug auf Fig. 1D dringt das geschmolzene Kupfer 11 in die Lücken der Hochschmelzpunkt-Metallschicht 10a durch ein Kapillarphänomen und füllt das Durchgangsloch 2 vollständig aus. Auf diese Weise wird ein Leiterteil 4a mit elektrischer Leitfähigkeit und Luftdichtigkeit gebildet.
Das Schaltungsbrett, das durch die oben beschriebenen Schritte hergestellt wurde, hat leitende Teile, welche die Durchgangslöcher 2 dichtig ausfüllen. Solche leitenden Teile stellen die elektrische Verbindung zwischen den Schaltkreisen sicher, welche auf der Vorder- und der Rückseite der Schaltplatte gebildet wurden, da das Hochschmelzpunktmetall oder Kupfer, das eine gute Leitfähigkeit hat, für diese Teile verwendet wird. Da außerdem die Durchgangslöcher 2 dichtig mit diesen leitenden Teilen ausgefüllt sind, ist die Luftdichtigkeit zwischen der Vorder- und der Rückseite der Schaltungsplatte hinreichend sichergestellt.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer integrierten Schaltung, welche auf einer keramischen Schaltungsplatte gebildet wurde, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde. Dünnfilmschaltkreise 24 sind auf der Vorder- und der Rückseite einer AlN- Platte 1 gebildet. Kompakte leitende Teile 4a aus Wolfram (W) und Kupfer (Cu) werden in den jeweiligen Durchgangslöchern 2 gebildet. Der Dünnfilmschaltkreis 24, der auf der Vorderseite der AlN-Platte 1 gebildet wurde, und der Dünnfilmschaltkreis 24, der auf der Rückseite derselben gebildet wurde, sind elektrisch durch die leitenden Teile 4a verbunden. Die AlN- Platte ist 1,0 mm dick und der Innendurchmesser von jedem Durchgangsloch ist 0,1mm. Im Falle der Verwendung einer Schaltungsplatte einer solchen Größe wäre es unmöglich in einem konventionellen Verfahren die elektrische Verbindung und Luftdichtigkeit vollständig zu erhalten. Entsprechend zeigen die Schaltkreise auf beiden Flächen der Schaltungsplatte gute Eigenschaften in Hinsicht auf die elektrische Verbindung und die Luftdichtigkeit.
Auf diese Weise wird gemäß dem Verfahren der Erfindung, wie es in Anspruch 1 spezifiziert ist, eine Hochschmelzpunkt-Metallschicht in jedem Durchgangsloch einer Isolatorplatte gebildet, geschmolzenes Kupfer füllt die Lücken oder ähnliches in der Hochschmelzpunkt-Metallschicht, um leitende Teile zu bilden, welche die Durchgangslöcher abdichten. Folglich ist es möglich eine Schaltungsplatte herzustellen, welche gute elektrische Verbindung und Luftdichtigkeit zwischen Vorderund Rückseite einer Isolatorplatte aufweist.
Obwohl die Erfindung ausführlich beschrieben und erläutert wurde ist es selbstverständlich, daß dies nur zur Illustration und als Beispiel gedacht ist und nicht als eine Beschränkung aufzufassen ist, wobei der Rahmen der Erfindung nur durch die folgenden Patentansprüche begrenzt wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schaltungsplatte einschließlich eines leitenden Teils, welcher durch eine isolierende Platte hindurch geformt ist und Schaltkreise elektrisch verbindet, welche an der Vorder- und Rückseite der isolierenden Platte gebildet sind, umfassend die Schritte:

- Bilden eines Durchgangsloches (2) an einer vorgeschriebenen Stelle der isolierenden Platte (1),

- Bilden einer Hochschmelzpunkt-Metallschicht (10a) in dem Durchgangsloch durch Eingeben einer Hochschmelzpunkt-Metallpaste (10) in das Durchgangsloch und Sintern der Paste, wodurch in der Hochschmelzpunkt-Metallschicht eine grobe Anzahl von Lücken durch Dissipation des Lösungsmittels in der Paste beim Sintern gebildet werden,

- Aufbringen eines Metallmaterials, welches Kupfer enthält, in Kontakt mit der gesinterten Paste auf der Seite der Isolierplatte unter dem Durchgangsloch, und

- Aufheizen und Schmelzen des Metallmaterials, welches Kupfer enthält, unter dem Durchgangsloch in einem Strom von Wasserstoff, sodaß das geschmolzene Metallmaterial in die Hochschmelzpunkt-Metallschicht durch die Lücken mittels der Kapillareffekts eindringt.

2. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schaltungsplatte nach Anspruch 1, worin

das Durchgangsloch (2) auf der nicht-gesinterten isolierenden Platte (1) gebildet ist, und

die Hochschmelzpunkt-Metallschicht (10a) gebildet wird durch Einbringen der Hochschmelzpunkt-Metallpaste (10) in das Durchgangsloch und Sintern der isolierenden Platte und der Hochschmelzpunkt-Metallpaste bei einer hohen Temperatur.

3. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Schaltungsplatte nach Anspruch 1, worin

das Durchgangsloch (2) in der gesinterten isolierenden Platte (1) gebildet ist und

die Hochschmelzpunkt-Metallschicht (10a) gebildet wird durch Einbringen der Hochschmelzpunkt-Metallpaste (10) in das Durchgangsloch und Sintern der Paste.