DD292809A5 - Verfahren zur herstellung gasdichter, keramischer mehrschichtstrukturen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung der o. g. Strukturen fuer keramische Gehaeuse, Mehrebenenverdrahtungstraeger oder Mehrebenenwabenstrukturen wobei von gruenen Keramikfolien ausgegangen wird, auf die eine keramische Zwischenschicht und/oder Leiterpaste aufgetragen sind und die getrocknet, laminiert und gesintert werden. Hierbei sollen Deformationen, Maszabweichungen und Undichtigkeiten vermieden werden. Erfindungsgemaesz ist deshalb die aufgetragene keramische Zwischenschicht plastisch aktivierbar und nach dem Trocknen wird auf die keramische Zwischenschicht ein Aktivator in Form einer weiteren Schicht aufgetragen, der die genannte Zwischenschicht plastisch aktiviert und aus den gleichen organischen Bestandteilen besteht, wie die organischen Bestandteile der keramischen Zwischenschicht und spaetestens nach 30 min werden die so behandelten Folien ohne Waermeanwendung und mit einem Druck bis zu 3 MPa laminiert.{Mehrschichtstrukturen, keramisch, gasdicht; Herstellung; Mehrebenenverdrahtungstraeger; Mehrebenenwabenstrukturen; Keramikfolien, gruen; Zwischenschicht, aktivierbar; trocknen; Aktivatorschicht}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung keramischer, gasdichter Mehrschichtstrukturen. Diese Mehrschichtstrukturen werden bspw. bei der Herstellung keramischer Gehäuse zur Aufnahme integrierter Si-Chips bzw. als Mehrebenenverdrahtungsträger auf dem Gebiet der Hybridtechnik verwendet. Weiterhin kann die Erfindung zur Erzeugung von Mehrebenenwabenstrukturen aus Keramik eingesetzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, bei der Herstellung von keramischen Mehrschichtstrukturen von aufeinanderfolgenden Einzelschichteji, die z. B. im Siebdruckverfahren aufgebrachte Leiterbahnen oder keramische Zwischenschichten tragen können, auszugehen, und im ungesinterten Zustand unter Anwendung von Druck und ggf. von Wärme zusammenzupressen (Laminieren). Unter diesen Bedingungen sollen plastische bzw. thermoplastische Fließvorgänge im Kontaktbereich zweier Schichten auftreten, die eine formschlüssige, adhäsive Verbindung zwischen den Einzelschichten ermöglichen. Nachteilig ist jedoch, daß die Druckkräfte nicht nur die Oberflächenschichten verformen, sondern auch innerhalb der Einzelschichten plastische Deformationen bzw. Bruchvorgänge hervorrufen.

Das ist besonders dann der Fall, wenn die Einzelelemente durch Aussparungen in der Fläche (Fenster, Durchbrüche) bzw. durch besondere Oberflächenprofile (Leiterzüge, Stege) den einseitigen Druck nur über stegartige Flächenbereiche übertragen können. Die auftretenden erhöhten Spannungskonzentrationen führen dann häufig zu einer lateralen Deformation oder Zerstörung der Stege bzw. erzeugen in der nächst tieferen Schicht Bereiche unterschiedlicher Verdichtung, die sich später beim Sintern als Verwölbung dieser Schichten äußern. Die unterschiedliche Verwölbung der Schichten verhindert ein hermetisches Zusammensintern.

Wenn die Druckkräfte beim Laminieren statt plastische Fließvorgänge nur eine elastische Verformung der Rinzelschichten bewirken, sind die resultierenden Haftkräfte zwischen den Schichten für eine Dichtsinterung der Mehrschichtstrukturen zu gering. Die Deformation, Maßabweichungen und Undichtigkeiten der Mehrschichtstrukturen haben unmittelbar Einfluß auf die Ausbeute bzw. Rentabilität des Herstellungsverfahrens. Um diese Nachteile zu umgehen, sind die verschiedensten Verfahren bekannt, die jedoch häufig einen hohen technischen Aufwand, wie beheizte oder untersetzte Laminierwerkzeuge erfordern und häufig nur unvollkommen zum Ziel führen.

So verhindert zwar die Verwendung von Stanzstempeln als Laminierwerkzeug bzw. der Einsatz von Stiftwalzen nach der DE-AS 1765980 sowie der DE-AS 1944618 eine laterale Verformung der Schichten an den Außenkanten oder an den Kanten der Aussparungen in den Schichten. Eine gleichmäßige Verdichtung ist jedoch nur in den deckungsgleichen Bereichen der Schichten zu erreichen, während einseitige Aussparungen in einzelnen Schichten notwendigerweise eine geringere Verdichtung erzeugen und damit zu Schwindungsdifferenzen führt. Diese Verdichtungsdifferenzen sind im vorliegenden Beispiel sehr hoch, da das Laminieren bei Raumtemperatur hohe Laminierdrucke erfordert (ca. 780MPa).

Nach der DE-AS 2 337141 versucht man deshalb den Laminierprozeß ganz zu vermeiden, indem die einzelnen keramischen Isolationsschichten im Siebdruckverfahren aus einer entsprechend druckfähig plastifizierten Masse gleicher Zusammensetzung bzw. ähnlicher Schwindung gebildet werden. Dieser Weg ist im allgemeinen nur für Deckschichten geeignet, da sich die keramischen Siebdruckschichten nicht ohne weiteres wieder mit metallischen Leiterzügen bedrucken lassen bzw. der Isolationswiderstand der Schicht nicht ausreicht.

Die DE-OS 2 011628 verweist auf die Möglichkeit, die Einzelschichten in Lösungsrnitteldämpfen zu lagern oder sie vorher mit Lösungsmittel anzufeuchten, um ein plastisches Erweichen des Bindemittels beim Laminieren zu begünstigen. Diese Möglichkeit

kann aber gerade beim nachfolgenden Laminierprozeß bzw. bereits auch beim „Erweichungsprozeß" nach der Dampfbehandlung zu erheblichen maßlichen Abweichungen der Produkte führen. Abgesehen von der verringerten Handhabungsfostlgkeit der Einzelelemente treten beim Drucklamlnleren wiederum plastische Verformungen in den Schichten selbst auf.

Das gilt ebenso für die Lösung nach der DD-PS 115105, wonach die !.aminierung nach dem Anfeuchten der Folienoberfläche durchgeführt wird. Hierzu sind, um maßliche Abweichungen weltestgehend zu vermeiden, zusätzlich noch Laminierschablonen zur Begrenzung der räumlichen Ausdehnung nach der Druckbeeinflussung erforderlich. Außerdem kann dieses Verfahren bei Systemen mit geringen keramischen Stegbreiten nicht verwendet werden (Instabilitäten bei der Handhabung). Es ist weiterhin bekannt, die Haftung zwischen den Einzelschichten durch Auftrag organischer temporärer Kleberschichten zu sichern, so daß der Laminierdruck unterhalb einer kritischen Belastung deformierbarer Stege bleiben kann. Der Nachteil dieser Lösung besteht vor allem darin, daß die Kleberschicht vor oder während des keramischen Brennprozesses rückstandslos zersetzt und in Form gasförmiger Produkte entfernt werden muß. Diese erhöhte Gasbildung in der Haftzone bewirkt u. U. eine Spaltbildung, falls die Ausgasung nicht sorgfältig gesteuert wird (Solid State Techn. 1974 H.5 S. 38-43).

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, Deformationen, Maßabweichungen und Undichtigkeiten bei Mehrschichtstrukturen durch den Laminierprozeß zu vermeiden. Auch wenn die Einzelelemente Aussparungen in der Fläche (Fenster, Durchbrüche) bzw. besondere Oberflächenprofile (Leiterzüge, geringe keramische Stegbreiten) aufweisen. Außerdem soll sich der Herstellungsprozeß ohne nachteilige Folgen unterbrechen lassen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung gasdichter keramischer Mehrschichtstrukturen zu entwickeln, wobei von grünen Keramikfolien, die aus einem anorganischen, pulverförmigen, keramischen Material im Gemisch mit einem organischen Bindemittel bestehen, ausgegangen wird, auf die eine keramische Zwischenschicht und/oder Leiterpaste aufgetragen, getrocknet, laminiert und gesintert werden. Hierbei soll die Druck- und Wärmeeinwirkung auf die Mehrschichtstrukturen während des Laminierens verringert werden.

Erfindungsgemäß ist deshalb die aufgetragene keramische Zwischenschicht plastisch aktivierbar und nach dem Trocknen wird auf die keramische Zwischenschicht ein Aktivator in Form einer weiteren Schicht aufgetragen, der die genannte Zwischenschicht plastisch aktiviert und aus den gleichen organischen Bestandteilen besteht wie die organischen Bestandteile der Zwischenschicht und spätestens nach 30min werden die so behandelten Folien ohne Wärmeanwendung mit einem Druck bis zu 3 MPa laminiert. Die genannte aktivierbare keramische Zwischenschicht läßt sich durch Streichen, Tauchen, Spritzen, Walzen oder durch Sieb- bzw. Tampondruck aufbringen. Sie besteht zu einem hohen Anteil aus keramischen Bestandteilen, welche je nach Beschichtungstechnologie mit mengenmäßig unterschiedlich organischen Bestandteilen versehen sein müssen. Nach dem Trocknungsprozeß wird diese keramische Zwischenschicht mittels Aktivator in einen plastischen Zustand versetzt. Der verwendete Aktivator kann ebenfalls durch Streichen, Tauchen, Spritzen usw. aufgebracht werden. Da es im Wesen der Erfindung liegt, daß der Aktivator aus den gleichen organischen Bestandteilen besteht wie die organischen Bestandteile der aufgebrachten keramischen Zwischenschicht, ist es vorteilhaft, wenn das eingesetzte organische Bindemittel für die keramische Zwischenschicht aus einem Gemisch von Alkoholen, Glycoläther, Terpenen und höheren Aromaten und der Aktivator aus einem Gemisch von

25 bis 45 Gew.-% Alkoholen 8 bis 12 Gew.-% Glycoläther 8 bis 12 Gew.-% Terpenen und 35 bis 55 Gew.-% höheren Aromaten

besteht.

Im Anschluß an den Aktivierungsvorgang wird unter Anwendung von geringem Druck bzw. drucklos und ohne zusätzliche Wärmeeinwirkung durch den sogenannten Laminierprozeß mit dem Aufbau der keramischen Mehrschichtstrukturen begonnen. Die aktivierbare keramische Zwischenschicht, die durch den Aktivierungsvorgang in einen plastischen Zustand überführt wurde, bewirkt eine formschlüssige, adhäsive Verbindung der Einzelschichten. Damit ist ein gasdichter Verbund nach dem Sinterprozeß garantiert. Da lediglich die keramische Zwischenschicht aktiviert wird, bleiben die übrigen zu verbindenden Teile infolge des Ausgleichs bei Druckeinwirkung auf diese plastische, keramische Schicht formstabil und garantiert diese Formstabilität auch nach dem Sinterprozeß. Der Aktivator ist so ausgelegt, daß durch seine Anwendung weder eine Beeinflussung der Oberfläche der zu verbindenen Teile durch Auslösevorgänge erfolgt, noch Dichteunterschiede erzeugt, die die Geometrie der Mehrschichtstrukturen negativ beeinflussen könnten.

Technologisch vorteilhaft wirkt sich weiterhin aus, daß diese mit der genannten keramischen Zwischenschicht beschichtete Keramikfolie nach dem Trocknungsprozeß über einen längeren Zeitraum stapelbar und lagerfähig bleibt und danach jederzeit wieder aktivierbar ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der Laminiervorgang auch ohne Anwendung von Temperatur erfolgen kann. Daher sind komplizierte, beheizte Lominiervorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich.

-3- 292 809 Ausführungsbeispiel Vorliegende Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1

Zur Aufnahme integrierter Schaltkreise werden keramische Gehäuse eingesetzt, welche meistens aus drei grünen keramischen Folien aufgebaut sind. Diese keramischen Folienlagen werden durch den Laminierprozeß vor dem Sintervorgang verbunden und müssen nach dem Sinterprozeß gasdicht sein. Zur Herstellung eines keramischen Gehäuses in Chip-Carrier-Bauform wird ebenfalls von drei keramischen Folien ausgegangen. Auf die unterste Folienlage wird mittels Siebdruck die metallische Chipbondfläche aufgebracht, auf die zweite Folienlage die Leiterbahnzuführung und auf die dritte Folienlage der Verschluß.

Gemäß der Erfindung müssen auf die drei Folienlagen zwei keramische Zwischenschichten aufgebracht werden, um die Gasdichtheit zu gewährleisten.

Im vorliegenden Beispiel wird die keramische Zwischenschicht auf die Rückseite der zweiten Folienlage und auf die Rückseite der dritten Folienlage mittels Siebdruck aufgebracht. Hierfür wird eine Siebdruckpaste verwendet, die zu 80Gew.-% aus einer 90%igen A^G^-Keramik besteht.

Der organische Binderanteil beträgt 20Gew.-%. Das organische Bindemittel besteht aus 30Gew.-% aromatischer Alkohole, 10Gew.-% Glycoläther, 10Gew.-% Terpene und 50Gew.-% aus einem Gemisch höherer Aromaten.

Die aufgebrachte Schichtstärke beträgt 20μηι. Nach dem Trockenprozeß wird der Aktivator mittels Walzen auf die Rückseite der zweiten und dritten Folienlage aufgetragen, wobei die Schichtstärke 5μιπ beträgt. Der Aktivator besteht aus den gleichen Bestandteilen wie die organischen Bestandteile der Siebdruckpaste. Nach diesem Prozeß werden die drei Folienlagen in einer Laminiervorrichtung deckungsgleich übereinander gebracht und durch Druckanwendung von 2 MPa laminiert. Die offene Zeit zwischen Aufbringen des Aktivators und Laminierprozeß darf max. 15min betragen. Anschließend werden die Folien einem Sinterprozeß unterworfen und sind gasdicht.

Beispiel 2

Zur Herstellung von keramischen Mehrschichtstrukturen können gleichmäßig geprägte, hermetische, grüne Folien verwendet werden. Durch diese Prägungen werden Hohlräume erzielt, die z. B. einen Kühlmitteldurchfluß ermöglichen. Zur Herstellung eines keramischen Kühlers in Mehrebenenwabenstruktur wird von fünf geprägten grünen keramischen Folien ausgegangen. Auf die hochstehenden Profilzwischenstege wird mittels Tampondruck die keramische Zwischenschicht aufgetragen. Die Tampondruckpaste besteht dabei aus 60Gew.-% eine hochtonerdhalten Keramik und 40Gew.-% beträgt der organische Binderanteil. Der organische Binderanteil besteht seinerseits zu 40Gew.-% aus aromatischen Alkoholen, 13Gew.-% Glycoläther, 10Gew.-% Terpenen und 37 Gew.-% aus einem Gemisch höherer Aromaten. Nach dem Trockenprozeß wird ebenfalls mittels Tampondruck der Aktivator aufgetragen. Er besteht aus den gleichen organischen Bestandteilen wie die Tampondruckpaste. Die Schichtdicke beträgt 2 pm. Der Laminiervorgang erfolgt drucklos. Nach dem Sinterprozeß sind diese fünf geprägten Folien gasdicht miteinander verbunden. Die offene Zeit zwischen Aufbringen des Aktivators und Laminiervorgang kann bis zu 30 min betragen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung gasdichter, keramischer Mehrschichtstrukturen, wobei von grünen Kerarnikfolien, die aus einem anorganischen pulverförmigen keramischen Material im Gemisch mit einem organischen Bindemittel bestehen, ausgegangen wird, auf die eine keramische Zwischenschicht und/oder Leiterpaste aufgetragen, getrocknet, laminiert und gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgetragene keramische Zwischenschicht plastisch aktivierbar ist und nach dem Trocknen auf die keramische Zwischenschicht ein Aktivator in Form einer weiteren Schicht aufgegeben wird, der die genannte Zwischenschicht plastisch aktiviert und aus den gleichen organischen Bestandteilen besteht wie die organischen Bestandteile der keramischen Zwischenschicht und spätestens nach 30 min die so behandelten Folien ohne Wärmeanwendung und mit einem Druck bis zu 3MPa laminiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte organische Bindemittel für die keramische Zwischenschicht aus einem Gemisch von Alkoholen, Glycolether, Terpenen und höheren Aromaten und der Aktivator aus einem Gemisch von.

25 bis 45 Gew.-% Alkoholen

8 bis 12 Gew.-%Glycoläther

8 bis 12 Gew.-% Terpenen
und 35 bis 55 Gew.-% höheren Aromaten
bestehen.