DE10042909A1 - Mehrlagiges Keramiksubstrat und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Abstract

Ein mehrlagiges Keramiksubstrat, das mindestens zwei Typen von Keramikschichten umfaßt, die verschiedene Keramikmaterialien enthalten, kann durch gleichzeitiges Brennen hergestellt werden, ohne ein Schicht-Abblättern zu bewirken. Ein Grün-Verbund-Laminat-Produkt wird in einem Zustand vorbereitet, bei dem zwei Substratgrünlagen jeweils einen unterschiedlichen Typ von bei niedrigen Temperaturen sinterndem Keramikmaterial enthalten, und in dem eine schrumpfungshemmende Grünlage, die anorganisches Material enthält, das bei den Sintertemperaturen von jedem der bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien nicht sintert, zwischen den beiden Substratgrünlagen angeordnet ist. Anschließend wird das Grün-Verbund-Laminat-Produkt gebrannt. Beim Schritt des Brennens werden die bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien gesintert, während das Schrumpfen der Substratgrünlagen in Richtung parallel zu ihren Hauptoberflächen durch die schrumpfungshemmende Grünlage gehemmt wird. Dabei bleibt das anorganische Material ungesintert und wird durch Glas fixiert, das durch das Brennen der bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mehrlagiges bzw. mehrschichtiges Keramiksubstrat, das durch Anwenden eines schrumpfungsfreien Prozesses erzeugt wird, der in der Lage ist, das Auftreten von Schrumpfen in Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche in einem Brennschritt im wesentli­ chen zu vermeiden, und auf ein Verfahren zum Herstellen des­ selben. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein mehrlagiges Keramiksubstrat, das mindestens zwei Ty­ pen von Keramikschichten aufweist, die verschiedene Charak­ teristika haben, und auf ein Verfahren zum Herstellen derselben.

Einige mehrlagige Keramiksubstrate haben eine Struktur, die ein eingebautes passives Bauteil aufweist, wie z. B. ein Kondensatorelement oder ein Induktorelement, das dafür vor­ gesehen ist, die Substrate multifunktionell zu machen. Ein typisches Beispiel für die Strukturen von solchen multifunk­ tionellen mehrlagigen Keramiksubstraten weist eine Mehrzahl von isolierenden Keramikschichten auf, die isolierende Kera­ mikmaterialien aufweisen und eine laminierte Struktur in einem mehrlagigen Keramiksubstrat bilden, wobei mindestens eine der isolierenden Keramikschichten durch eine dielektri­ sche Keramikschicht oder eine magnetische Keramikschicht er­ setzt ist, die ein dielektrisches Keramikmaterial oder ein magnetisches Keramikmaterial enthält, so daß das kapazitive Element oder das induktive Element in Verbindung mit der di­ elektrischen Keramikschicht oder der magnetischen Keramik­ schicht gebildet ist.

Beim Herstellen des oben beschriebenen mehrlagigen Keramik­ substrats wird, neben einer isolierenden Grünlage bzw. Grün­ schicht, die ein isolierendes Keramikmaterial enthält, eine dielektrische oder magnetische Grünlage vorbereitet, die ein dielektrisches oder magnetisches Material enthält, das ver­ schieden von dem isolierenden Keramikmaterial ist. Diese verschiedenen Typen von Grünlagen, die verschiedene Keramik­ materialien enthalten, werden dann laminiert, um eine lami­ nierte Struktur zu erhalten, und anschließend gemeinsam ge­ brannt.

Bei dem Schritt des Brennens weisen die verschiedenen Kera­ mikmaterialien, die in den jeweiligen Grünlagen enthalten sind, im allgemeinen ein verschiedenes Verhalten bezüglich eines Sinterschrumpfens auf. Um ein gemeinsames Brennen ver­ schiedener Typen von Grünlagen zu erlauben, ist es somit er­ forderlich, zu bewirken, daß die Sinterschrumpfungsverhalten miteinander so weit als möglich übereinstimmen.

Deshalb wird eine Maßnahme ergriffen, bei der das Keramikma­ terial, das in mindestens einem Grünlagentyp enthalten ist, geändert wird, Glas zu mindestens einem Grünlagentyp zugege­ ben wird oder ein Teil des Keramikmaterials, das in einem Grünlagentyp enthalten ist, zu dem anderen Grünlagentyp zu­ gegeben wird.

Die obige Maßnahme, das Keramikmaterial zu ändern, Glas zu­ zugeben oder einen Teil eines Keramikmaterials, das in einem Typ einer Grünlage enthalten ist, dem anderen Typ zuzugeben, bewirkt jedoch in einigen Fällen eine unerwünschte Änderung oder Verschlechterung verschiedener Charakteristika, wie z. B. des Isolationswiderstandes, der dielektrischen Konstante, des dielektrischen Verlustes, der Temperaturcharakteristika etc.

Die oben beschriebene Zugabe bewirkt eine Änderung von Cha­ rakteristika der Grenzfläche zwischen Keramikschichten auf­ grund von gegenseitiger Diffusion des zugegebenen Glases oder Keramikmaterials, wodurch eine Streuung von Charakteri­ stika bewirkt wird.

Um das Problem einer gegenseitigen Diffusion zu lösen, wird ein Versuch unternommen, eine diffusionshemmende Schicht als eine Zwischenschicht zwischen verschiedenen Grünlagentypen zu schaffen, um die Diffusion zu hemmen oder die Diffusions­ länge zu vergrößern, wodurch die Wirkung der gegenseitigen Diffusion verringt wird.

Das Anwenden der obigen Maßnahme erfordert jedoch die Koin­ zidenz des Schrumpfungsverhaltens der Zwischenschicht, die als diffusionsverhindernde Schicht dient, mit dem der ande­ ren Grünlagen, wodurch die Notwendigkeit bewirkt wird, Glas oder dergleichen zur Zwischenschicht zuzugeben. Deshalb kann die obige Maßnahme nur die Wirkung eines Verringerns einer Änderung oder Verschlechterung der Charakteristika mit einem Gradienten zwischen verschiedenen Typen keramischer Schich­ ten erzielen.

Bei einem großen Unterschied zwischen den Schrumpfungsver­ halten von verschiedenen Typen von angrenzenden Grünlagen muß die Dicke der Zwischenschicht deutlich erhöht werden. Alternativ ist eine Mehrzahl von Zwischenschichten erforder­ lich, die einen schrittweisen Dickengradienten aufweisen, um die Spannung zu verringern, die durch den Unterschied zwi­ schen den Schrumpfungsverhalten verursacht werden.

Jedoch führt die Zunahme der Dicke der Zwischenschicht oder das Bilden einer Mehrzahl von Zwischenschichten zu einer Verschlechterung der Charakteristika des mehrlagigen Kera­ miksubstrats oder zu einer Zunahme von dessen Dicke, wodurch viele praktische Probleme bei den mehrlagigen Keramiksub­ straten, die im Ganzen gebrannt werden können, verursacht werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein mehrlagiges Keramiksubstrat mit verbesserten Charakteristika und ein Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein mehrlagiges Keramiksubstrat gemäß Anspruch 1 oder durch ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst.

Um das oben genannte technische Problem zu lösen, liefert die vorliegende Erfindung eine technische Einrichtung, bei der zwei Substratgrünlagen, die verschiedene bei niedrigen Temperaturen sinternde Keramikmaterialien, d. h. Keramikma­ terialien mit geringer Sintertemperatur, enthalten, in einem Zustand gebrannt werden, in dem eine schrumpfungshemmende Grünlage, die ein anorganisches Material enthält, das bei der Sintertemperatur von jedem der bei niedrigen Temperatu­ ren sinternden Keramikmaterialien nicht sintert, zwischen den beiden Substratgrünlagen angebracht ist. Deshalb dämmt die schrumpfungshemmende Grünlage die Substratgrünlagen, um das Auftreten von Sinterschrumpfen in Richtung parallel zu Hauptoberflächen zu verhindern, so daß ein Schrumpfen nur in Richtung der Dicke auftritt. Somit kann selbst bei einem Un­ terschied zwischen den Schrumpfungsverhalten der beiden Sub­ stratgrünlagen das Auftreten einer Belastung bzw. mechani­ schen Spannung aufgrund des Unterschieds zwischen den Schrumpfungsverhalten der beiden Substratgrünlagen im we­ sentlichen verhindert werden.

Durch die Verwendung der technischen Einrichtung wird die schrumpfungshemmende Grünlage, die als die Zwischenschicht dient, eine Schicht, in der in einem ungesinterten Zustand viele Poren bzw. Hohlräume vorhanden sind, weil das anorga­ nische Material, das in der schrumpfungshemmenden Grünlage enthalten ist, beim Schritt des Brennens nicht gesintert werden muß. Andererseits erzeugen die bei niedrigen Tempera­ turen sinternden Keramikmaterialien, die in den Substrat­ grünlagen enthalten sind, während des Brennens geschmolzenes Glas. Das geschmolzene Glas wird durch Diffusion in den Po­ ren des anorganischen Materials absorbiert. Deshalb kann die Glasdiffusion von einer der Substratgrünlagen zur anderen Substratgrünlage gehemmt werden, um das Auftreten einer Än­ derung oder Verschlechterung von Charakteristika zu vermei­ den.

Die Zwischenschicht muß keine Belastung indirekt unter Ver­ wendung der Dicke abbauen und hat eine Dicke, die aus­ reicht, um das von den Substratgrünlagen erzeugte und dif­ fundierte Glas zu absorbieren. Dadurch wird keine Notwendig­ keit bewirkt, die Dicke signifikant zu erhöhen.

Durch die Verwendung der technischen Vorrichtung werden ein mehrlagiges Keramiksubstrat und ein Verfahren zum Herstellen desselben geliefert.

Das mehrlagige Keramiksubstrat der vorliegenden Erfindung umfaßt nämlich mindestens zwei Typen von Substratkeramik­ schichten, die verschiedene bei niedrigen Temperaturen sin­ ternde Keramikmaterialien enthalten, und eine schrumpfungs­ hemmende Schicht, die zwischen den verschiedenen Typen von Substratkeramikschichten vorgesehen ist, und die ein anorga­ nisches Material in einem ungesinterten Zustand enthält, das bei den Sintertemperaturen von jedem der bei niedrigen Tem­ peraturen sinternden Keramikmaterialien nicht sintert, so daß das anorganische Material durch Glas fixiert wird, das beim Brennen der bei niedrigen Temperaturen sinternden Kera­ mikmaterialien, die in den Substratkeramiklagen enthalten sind, in das anorganische Material eindringt. Ferner enthält das mehrlagige Keramiksubstrat einen Verdrahtungsleiter, der in Verbindung mit den Substratkeramikschichten und/oder der schrumpfungshemmenden Schicht vorgesehen ist.

Bei dem mehrlagigen Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung kann als leitfähiges Material, das den Verdrah­ tungsleiter bildet, beispielsweise ein niederohmiges, leit­ fähiges Material verwendet werden, das, als Hauptkomponente, mindestens ein Metall aufweist, das aus der Gruppe ausge­ wählt ist, die Ag, Au, Cu, Ag-Pd und Ag-Pt umfaßt.

Der Verdrahtungsleiter wird in dem mehrlagigen Keramiksub­ strat oder auf einer äußeren Oberfläche gebildet. Jedoch umfaßt der Verdrahtungsleiter z. B. einen planaren Leiter, der entlang einer Hauptoberfläche einer spezifizierten Sub­ stratkeramikschicht vorgesehen ist oder einen Durchgangs­ lochleiter, der vorgesehen ist, um durch die spezifizierte Substratkeramikschicht und/oder die schrumpfungshemmende Schicht zu verlaufen, entsprechend dem Entwurf einer elek­ trischen Verbindung, die für das mehrlagige Keramiksubstrat erforderlich ist.

Das mehrlagige Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden Erfin­ dung kann ferner einen Hohlraum mit einer Öffnung aufweisen, die zu einer äußeren Oberfläche des Substrats zeigt.

Das Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Keramiksub­ strats gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Schritt des Vorbereitens eines Grün-Verbund-Laminat-Produktes auf, das mindestens zwei Typen von Substratgrünlagen, die ver­ schiedene bei niedrigen Temperaturen sinternde Keramikmate­ rialien enthalten, eine schrumpfungshemmende Grünlage, die zwischen den verschiedenen Typen der Substratgrünlagen vor­ gesehen ist, und die ein anorganisches Material enthält, das bei den Sintertemperaturen der beiden bei niedrigen Tempera­ turen sinternden Keramikmaterialien nicht sintert, und einen Verdrahtungsleiter aufweist, der in Verbindung mit den Sub­ stratgrünlagen und/oder der schrumpfungshemmenden Grünlage vorgesehen ist. Das Verfahren weist ferner den Schritt des Brennens der Grün-Verbund-Laminat-Struktur auf.

Beim Schritt des Brennens wird das bei niedrigen Temperatu­ ren sinternde Keramikmaterial gesintert, das in jeder der Substratgrünlagen enthalten ist. Dabei wird das Schrumpfen in Richtung der Hauptoberflächen von jeder Substratgrünlage durch die schrumpfungshemmende Grünlage gehemmt bzw. verhin­ dert. Ferner wird das anorganische Material, das in der schrumpfungshemmenden Grünlage enthalten ist, durch Glas fi­ xiert, das beim Brennen der bei niedrigen Temperaturen sin­ ternden Keramikmaterialien in das anorganische Material ein­ dringt. Dabei verbleibt das anorganische Material in einem ungesinterten Zustand.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Keramik­ substrats gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Schritt des Vorbereitens der Grün-Verbund-Laminat-Struktur den Schritt des Vorbereitens von jeder der Substratgrünlagen und der schrumpfungshemmenden Grünlage und den Schritt des Lami­ nierens der Substratgrünlagen und der schrumpfungshemmenden Grünlage aufweisen. Alternativ kann der Schritt des Vorbe­ reitens der Grün-Verbund-Laminat-Struktur den Schritt des Vorbereitens der Substratgrünlagen, den Schritt des Vorbe­ reitens eines Schlickers bzw. Schlammes, der das anorgani­ sche Material enthält, und den Schritt des Auftragens des Schlammes auf jeder der Substratgrünlagen zum Bilden der schrumpfungshemmenden Grünlage aufweisen. Als ein modifi­ ziertes Beispiel des letzteren Falles können, um das Grün- Verbund-Laminat-Produkt vorzubereiten, die schrumpfungshem­ mende Grünlage und ein Schlamm, der ein bei niedrigen Tempe­ raturen sinterndes Keramikmaterial enthält, vorbereitet wer­ den, so daß der Schlamm auf die schrumpfungshemmende Grün­ lage aufgetragen wird, um die Substratgrünlage zu bilden.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Keramik­ substrats gemäß der vorliegenden Erfindung ist das bei nie­ drigen Temperaturen sinternde Keramikmaterial, das in jeder der Substratgrünlagen enthalten ist, vorzugsweise bei einer Temperatur von 1.000°C oder weniger sinterbar.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Keramik­ substrats gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage vorzugsweise in dem Bereich von 1 µm bis zu weniger als 30 µm gewählt.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Keramik­ substrats gemäß der vorliegenden Erfindung kann die schrump­ fungshemmende Grünlage zur Unterstützung des Fixierens des anorganischen Materials mindestens ein Additiv, das aus der Gruppe gewählt ist, die Glas, Oxide und Metalle umfaßt, in einer Menge von 60 Gewichtsprozent oder weniger, bezogen auf das anorganische Material, enthalten. In diesem Fall kann die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage bis auf maximal 50 µm erhöht werden.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Keramik­ substrats gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Sinter­ temperatur des anorganischen Materials, das in der schrump­ fungshemmenden Grünlage enthalten ist, oder die Sintertempe­ ratur des anorganischen Materials und des Additivs zur Un­ terstützung des Sinterns des anorganischen Materials vor­ zugsweise mindestens 100°C höher als die Sintertemperatur von jedem der bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramik­ materialien.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht, die schematisch einen Teil eines mehrlagigen Keramiksubstrats gemäß einem Aus­ führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Schnittansicht, die schematisch einen Teil eines Grün-Verbund-Laminat-Produktes zeigt, das vorbereitet ist, um das mehrlagige Keramiksubstrat, das in Fig. 1 gezeigt ist, zu erhalten;

Fig. 3 eine Schnittansicht, die schematisch ein mehrlagi­ ges Keramiksubstrat gemäß einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Schnittansicht, die schematisch ein mehrlagi­ ges Keramiksubstrat gemäß einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und

Fig. 5 eine Schnittansicht, die einen Teil eines Grün-Ver­ bund-Laminat-Produktes zeigt, das in einem experi­ mentellen Beispiel erzeugt wurde, das zur Defini­ tion des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vor­ liegenden Erfindung durchgeführt wurde.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen Teil eines mehrla­ gigen Keramiksubstrats 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 2 ist eine Schnittan­ sicht, die schematische einen Teil eines Grün-Verbund-Lami­ nat-Produktes 1a zeigt, das vorbereitet ist um das mehrlagi­ ge Keramiksubstrat 1, das in Fig. 1 gezeigt ist, zu erhal­ ten. In den Fig. 1 und 2 sind Verdrahtungsleiter nicht dar­ gestellt, um die Beschreibung zu vereinfachen.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, weist das mehrlagige Keramiksub­ strat 1 zwei Typen, d. h. eine erste und eine zweite Sub­ stratkeramiklage 2 und 3 auf, die ein erstes bzw. ein zwei­ tes, voneinander verschiedenes, bei niedrigen Temperaturen sinterndes Keramikmaterial enthalten.

Das mehrlagige Keramiksubstrat 1 weist ferner eine schrump­ fungshemmende Schicht 4 auf, die zwischen der ersten und der zweiten Substratkeramiklage 2 und 3 angeordnet ist. Die schrumpfungshemmende Schicht 4 enthält ein anorganisches Material in ungesintertem Zustand, das bei den Sintertempe­ raturen von jedem der ersten und zweiten bei niedrigen Tem­ peraturen sinternden Keramikmaterialien nicht sintert. Durch das Brennen von jedem der ersten und zweiten bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien, die in der er­ sten bzw. zweiten Substratkeramiklage enthalten sind, dringt in der schrumpfungshemmenden Schicht 4 Glas in das anorgani­ sche Material ein, so daß das anorganische Material durch das Glas fixiert wird.

Um das mehrlagige Keramiksubstrat 1 zu erhalten, wird das Grün-Verbund-Laminat-Produkt 1a vorbereitet, das in Fig. 2 gezeigt ist.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, weist das Grün-Verbund-Laminat- Produkt 1a eine erste und eine zweite Substratgrünlage 2a und 3a, die das erste bzw. das zweite bei niedrigen Tempera­ turen sinternde Keramikmaterial enthalten, und eine schrump­ fungshemmende Grünlage 4a auf, die zwischen der ersten und der zweiten Substratgrünlage 2a und 3a angeordnet ist und das oben beschriebene anorganische Material enthält.

Um das Grün-Verbund-Laminat-Produkt 1a zu erhalten, wird zu­ erst ein Schlamm, der das erste bei niedrigen Temperaturen sinternde Keramikmaterial enthält, ein Schlamm, der das zweite bei niedrigen Temperaturen sinternde Keramikmaterial enthält, und ein Schlamm, der das anorganische Material ent­ hält, vorbereitet. Aus jedem Schlamm wird auf einem geeigne­ ten Trägerfilm eine Platte oder Lage gebildet, indem bei­ spielsweise ein Rakel-Verfahren (doctor blade method) ver­ wendet wird, um jede der ersten und zweiten Substratgrünla­ gen 2a und 3a und die schrumpfungshemmende Grünlage 4a zu bilden. Diese Grünlagen 2a, 3a und 4a werden gemäß den An­ forderungen in der vorbestimmten Reihenfolge laminiert und gepreßt, um das Grün-Verbund-Laminat-Produkt 1a zu erhalten.

Statt des oben beschriebenen Verfahrens kann ein anderes Verfahren benutzt werden, bei dem jede der ersten und zwei­ ten Substratgrünlagen 2a und 3a gebildet wird. Danach wird der Schlamm, der das anorganische Material enthält, auf eine der ersten und zweiten Substratgrünlagen 2a bzw. 3a aufge­ tragen, um die schrumpfungshemmende Grünlage 4a zu bilden. Dann wird die andere der ersten und zweiten Substratgrünla­ gen 2a und 3a laminiert.

Ein weiterer Prozeß kann verwendet werden, bei dem die schrumpfungshemmende Grünlage 4a zuerst gebildet wird und dann der Schlamm, der eines der ersten und zweiten bei nie­ drigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien enthält, auf die schrumpfungshemmende Grünlage 4a aufgetragen wird, um eine der ersten und zweiten Substratgrünlage 2a oder 3a zu bilden.

Das somit gebildete Grün-Verbund-Laminat-Produkt 1a wird nach Bedarf gepreßt und dann in Luft oder einer reduzieren­ den Atmosphäre gebrannt, um das mehrlagige Keramiksubstrat 1 zu erhalten.

Bei dem Schritt des Brennens werden das erste bzw. das zwei­ te bei niedrigen Temperaturen sinternde Keramikmaterial, das in der ersten und zweiten Substratgrünlage 2a und 3a enthal­ ten ist, gesintert, während das Schrumpfen in Richtung der Hauptoberflächen von jeder der ersten und zweiten Substrat­ grünlagen 2a und 3a durch die schrumpfungshemmende Grünlage 4a gehemmt wird. Obwohl das anorganische Material, das in der schrumpfungshemmenden Grünlage 4a enthalten ist, unge­ sintert bleibt, dringt durch das Brennen von jedem der er­ sten und zweiten bei niedrigen Temperaturen sinternden Kera­ mikmaterialien Glas in das anorganische Material ein, so daß das anorganische Material durch das Glas fixiert wird.

Wie es oben beschrieben ist, läuft das Sintern des ersten bzw. zweiten bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramik­ materials, das in der ersten und der zweiten Substratgrünla­ ge 2a und 3a enthalten ist, ab, während die erste und die zweite Substratgrünlage 2a und 3a durch die schrumpfungshem­ mende Grünlage 4a gedämmt werden, um das Schrumpfen in Rich­ tung der Hauptoberflächen von jeder der ersten und zweiten Substratgrünlagen 2a und 3a zu hemmen. Deshalb tritt ein Schrumpfen in den Substratgrünlagen 2a und 3a im wesentli­ chen nur in Richtung ihrer Dicke auf. Jedoch bewirkt bei einem Schrumpfen in Richtung der Dicke, selbst wenn es einen Unterschied zwischen den Schrumpfungsverhalten der ersten und zweiten Substratgrünlagen 2a und 3a gibt, dieser Unter­ schied kein Schrumpfen in Richtung parallel zu den Haupt­ oberflächen, wodurch in der Grenzfläche dazwischen keine Be­ lastung bewirkt wird. Deshalb kann das mehrlagige Keramik­ substrat 1 durch gleichzeitiges Brennen erhalten werden, ohne ein Schicht-Abblättern oder einen Bruch der Schichten zu bewirken.

Obwohl es schwierig ist, den Grad des Eindringens von Glas beim Schritt des Brennens festzustellen, wird das Eindringen des Glases vorzugsweise so eingestellt, daß ein Glasfluß bei der Sinterstarttemperatur von jedem der bei niedrigen Tempe­ raturen sinternden Keramikmaterialien startet und das Ein­ dringen des Glases aus der ersten und der zweiten Substrat­ keramikschicht 2 und 3 in die schrumpfungshemmende Schicht 4 im Bereich der Sinterendtemperatur endet.

Durch eine solche Einstellung wird das von jeder der ersten und zweiten Substratgrünlagen 2a und 3a diffundierende und eindringende Glas durch die schrumpfungshemmende Grünlage 4a oder die schrumpfungshemmende Schicht 4 absorbiert und fi­ xiert. Somit diffundiert das Glas weniger aus der ersten Substratgrünlage 2a zur zweiten Substratgrünlage 3a oder um­ gekehrt, wodurch wirksam verhindert wird, daß sich aufgrund der Kontamination der ersten und zweiten Substratkeramik­ schicht 2 und 3 durch das fremde Glas die Charakteristika ändern oder verschlechtern.

Um eine Bindungsfestigkeit zwischen den jeweiligen Schichten zu erhalten, ist an den Grenzflächen zwischen der ersten und zweiten Substratkeramikschicht 2 und 3 und der schrumpfungs­ hemmenden Schicht 4 eine gegenseitige Diffusion in einem Dickenbereich von ca. 2 bis 3 µm erforderlich.

Durch das unten beschriebene Experiment wird bestätigt, daß unter dem Gesichtspunkt einer solchen Glasdiffusion und der Ausbildung eines ausreichenden schrumpfungshemmenden Effekts die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage 4a vorzugsweise im Bereich von 1 µm bis zu weniger als 30 µm gewählt wird.

Wenn die schrumpfungshemmende Grünlage 4a eine Dicke auf­ weist, die oberhalb des oben genannten Bereichs liegt, wird die Glasmenge, die erforderlich ist, um das anorganische Ma­ terial zu fixieren, um eine Menge erhöht, die dem Anstieg der Dicke entspricht. Andererseits kann, wenn eine große Menge Glas aus der ersten und zweiten Substratgrünlage 2a und 3a in die schrumpfungshemmende Grünlage 4a eindringt und von ihr absorbiert wird, ein gut gesinterter Zustand in der ersten und zweiten Substratkeramikschicht 2 und 3 nicht er­ langt werden.

Deshalb wird, um die Glasmenge zu verringern, die in die Po­ ren bzw. Hohlräume des anorganischen Materials eindringt, um das Fixieren des anorganischen Materials zu unterstützen, vorzugsweise mindestens ein Additiv, das aus der Gruppe ge­ wählt ist, die Glas, Oxide und Metalle umfaßt, der schrump­ fungshemmenden Grünlage 4a zugegeben. Bei dem Zugeben eines solchen Additivs müssen Typ und Menge des Additivs so ausge­ wählt werden, daß ein Sinterschrumpfen der schrumpfungshem­ menden Grünlage 4a bei einer Temperatur von beispielsweise 1.000°C oder weniger verhindert wird. Es wird durch das un­ ten beschriebene Experiment bestätigt, daß die Menge des Additivs vorzugsweise bei 60 Gewichtsprozent oder weniger, bezogen auf das anorganische Material, liegt.

Wie oben beschrieben, kann durch Zugeben des spezifizierten Additivs zu der schrumpfungshemmenden Grünlage 4a die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage 4a bis auf 50 µm erhöht werden. Ein Erhöhen der Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage 4a kann das Auftreten einer Kontamination der Sub­ stratkeramikschichten 2 und 3 mit dem diffundierenden frem­ den Glas verhindern und die Häufigkeit einer Verschlechte­ rung der Charakteristika aufgrund der Wirkung der Kontamina­ tion mit dem fremden Glas verringern. Darüber hinaus werden die Charakteristika der Substratkeramikschichten 2 und 3 durch eine Variation der Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage 4a nicht beeinflußt. Somit kann ein mehrlagiges Keramiksubstrat 1a mit stabilen Charakteristika hergestellt werden.

Vorzugsweise können das erste und das zweite bei niedrigen Temperaturen sinternde Keramikmaterial bei einer Temperatur von 1.000°C oder weniger gesintert werden. Durch Verwenden von bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmateriali­ en, die bei Temperaturen von 1.000°C oder weniger gesintert werden können, kann das mehrlagige Keramiksubstrat durch Brennen zur gleichen Zeit mit den Verdrahtungsleitern (nicht gezeigt in Fig. 1) erhalten werden, die aus einem Metall, wie z. B. Kupfer oder Silber, bestehen.

Obwohl die bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikma­ terialien beim Brennen geschmolzenes Glas erzeugen, kann an­ fänglich Glas in einer Keramik enthalten sein, um ein Sin­ tern bei niedrigen Temperaturen zu erlauben, oder eine Kera­ mik kann durch eine Reaktion mit einem Oxid verglast werden, um Glas beim Brennen zu erzeugen.

Beispiele von Gläsern, die vorher in der Keramik enthalten sein können, umfassen Borsilikatglas, Bleiborsilikatglas, Bariumborsilikatglas, Bismutborsilikatglas und dergleichen.

Als das Oxid, das während des Brennens durch Schmelzen Glas erzeugt, kann z. B. Bariumoxid und eine Kombination aus Si­ liziumoxid und Boroxid verwendet werden.

Als die Keramik, die in den bei niedrigen Temperaturen sin­ ternden Keramikmaterialien enthalten ist, können eine iso­ lierende Keramik, wie z. B. Aluminiumoxid, eine dielektri­ sche Keramik, wie z. B. Bariumtitanat, und eine magnetische Keramik, wie z. B. Ferrite, verwendet werden. Die erste und die zweite Substratgrünlage 2a und 3a können verschiedene Typen von Keramik enthalten.

Das anorganische Material, das in der schrumpfungshemmenden Grünlage 4a enthalten ist, hat vorzugsweise eine Sintertem­ peratur, die um mindestens 100°C höher liegt als die Sinter­ temperatur von jedem der bei niedrigen Temperaturen sintern­ den Keramikmaterialien. Deshalb kann als anorganisches Mate­ rial ein beliebiges anorganisches Material verwendet werden, wie z. B. ein dielektrisches Material, ein magnetisches Ma­ terial, ein Widerstandsmaterial, ein Supraleiter, ein piezo­ elektrisches Material, ein pyroelektrisches Material, ein Halbleiter, ein Hochtemperaturleitungsmaterial, ein Metall und dergleichen. Insbesondere können beispielsweise Alumi­ niumoxid, Zirkonerde, Aluminiumnitrid oder Bornitrid vor­ teilhaft verwendet werden.

Wie oben beschrieben wurde, liegen, wenn die schrumpfungs­ hemmende Grünlage 4a mindestens ein Additiv enthält, das aus der Gruppe gewählt ist, die Glas, Oxide und Metalle umfaßt, die Sintertemperaturen des Additivs und des anorganischen Materials vorzugsweise mindestens 100°C höher als die Sin­ tertemperatur von jedem der bei niedrigen Temperaturen sin­ ternden Keramikmaterialien.

Fig. 3 zeigt schematisch ein mehrlagiges Keramiksubstrat 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Das mehrlagige Keramiksubstrat 11 weist eine erste Substrat­ keramikschicht 12, die ein erstes bei niedrigen Temperaturen sinterndes Keramikmaterial enthält, eine zweite Substratke­ ramikschicht 13, die ein zweites bei niedrigen Temperaturen sinterndes Keramikmaterial enthält, und eine dritte Sub­ stratkeramikschicht 14 auf, die ein drittes bei niedrigen Temperaturen sinterndes Keramikmaterial enthält.

Das mehrlagige Keramiksubstrat 11 weist ferner eine schrump­ fungshemmende Schicht 15 auf, die ein anorganisches Material in einem ungesinterten Zustand enthält, das bei der Sinter­ temperatur von jedem der ersten bis dritten bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien nicht sintert.

Bei dem mehrlagigen Keramiksubstrat 11 werden die ersten bis dritten Substratkeramikschichten 12 bis 14 und die schrump­ fungshemmenden Schichten 15 in folgender Reihenfolge von der Unterseite her laminiert: die erste Substratkeramikschicht 12, die schrumpfungshemmende Schicht 15, die dritte Sub­ stratkeramikschicht 14, die schrumpfungshemmende Schicht 15, die zweite Substratkeramikschicht 13, die schrumpfungshem­ mende Schicht 15, die erste Substratkeramikschicht 12, die schrumpfungshemmende Schicht 15, die erste Substratkeramik­ schicht 12 und die erste Substratkeramikschicht 12.

Deshalb wird die unterste schrumpfungshemmende Schicht 15 aus der Mehrzahl der schrumpfungshemmenden Schichten 15 be­ schrieben. In der schrumpfungshemmenden Schicht 15, die zwi­ schen der ersten Substratkeramikschicht 12 und der dritten Substratkeramikschicht 14 gehalten ist, dringt das geschmol­ zene Glas, das beim Brennen des ersten und dritten bei nie­ drigen Temperaturen sinternden Keramikmaterials erzeugt wird, das in der ersten bzw. dritten Substratkeramikschicht 12 bzw. 14 enthalten ist, in das anorganische Material ein, das in der schrumpfungshemmenden Schicht 15 enthalten ist, um das anorganische Material zu fixieren.

In die schrumpfungshemmende Schicht 15, die zwischen der dritten Substratkeramikschicht 14 und der zweiten Substrat­ keramikschicht 13 gehalten ist, dringt das Glas ein, das beim Brennen des dritten und des zweiten bei niedrigen Tem­ peraturen sinternden Keramikmaterials erzeugt wird, das in der dritten bzw. zweiten Substratkeramikschicht 14 bzw. 13 enthalten ist.

In die schrumpfungshemmende Schicht 15, die zwischen der zweiten Substratkeramikschicht 13 und der ersten Substrat­ keramikschicht 12 gehalten ist, dringt das Glas ein, das beim Brennen des zweiten und des ersten bei niedrigen Tempe­ raturen sinternden Keramikmaterials erzeugt wird, die in der zweiten bzw. ersten Substratkeramikschicht 13 bzw. 12 ent­ halten sind.

Bei dem mehrlagigen Keramiksubstrat 11 sind verschiedene Verdrahtungsleiter in Verbindung mit den Substratkeramik­ schichten 12 bis 14 und den schrumpfungshemmenden Schichten 15 vorgesehen.

Einige der Verdrahtungsleiter werden unten beschrieben.

Als die Verdrahtungsleiter sind planare Leiter 16 bis 27 entlang der Hauptoberflächen der spezifizierten Schichten der Substratkeramikschichten 12 bis 14 vorgesehen. Jeder der planaren Leiter 16 bis 27 ist in einer erwünschten Form strukturiert.

Als die Verdrahtungsleiter sind Durchgangsloch-Leiter 28 bis 33 vorgesehen, um durch die spezifizierten Substratkeramik­ schichten 12 bis 14 und/oder die schrumpfungshemmende Schicht 15 hindurch zu führen. Die Durchgangsloch-Leiter 32 und 33 sind von den Seiten des mehrlagigen Keramiksubstrats 11 offenliegend.

Bezüglich der Verdrahtungsleiter 16 bis 33 wird der planare Leiter 16, der auf der oberen Oberfläche gebildet ist, ver­ wendet, um ein Schiff-förmiges elektronisches Bauteil (nicht gezeigt) anzubringen. Die planaren Leiter 26 und 27, die auf der unteren Oberfläche gebildet sind, und die Durchgangs­ loch-Leiter 32 bzw. 33, die mit ihnen verbunden sind, werden verwendet, um das mehrlagige Keramiksubstrat 11 auf einer Hauptplatine bzw. einem Motherboard (nicht dargestellt) an­ zubringen.

Um diese Verdrahtungsleiter 16 bis 33 zu bilden, wird z. B. leitfähige Paste verwendet, die als leitfähige Komponente mindestens ein Metall enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Ag, Au, Cu, Ag-Pd und Ag-Pt umfaßt.

Die leitfähige Paste kann durch Zugeben einer vorbestimmten Menge eines organischen Trägermittels zu einem Pulver, das das oben genannte Metall aufweist, und anschließendes Rühren und Kneten der Mischung erhalten werden.

Obwohl der mittlere Teilchendurchmesser und die mittlere Teilchenform des Metallpulvers nicht limitiert sind, wird vorzugsweise ein Pulver mit einem mittleren Teilchendurch­ messer von 0,3 bis 10 µm verwendet, das kein grobes Pulver oder agglomeriertes Pulver ist.

Obwohl das organische Trägermittel durch Mischen eines Bin­ demittelharzes und eines Lösungsmittels erhalten wird und nicht limitiert ist, können Ethylzellulose, Acrylharz, Poly­ vinylbutyral, Methacrylharz oder dergleichen als das Binde­ mittelharz verwendet werden und Terpineol, Butylcarbitol, Butylcarbitolazetat, Alkohol oder dergleichen als Lösungs­ mittel verwendet werden.

Die leitfähige Paste kann gemäß den Anforderungen ein Dis­ persionsmittel, einen Weichmacher und ein Additiv enthalten.

Um eine Anpassung an die Schrumpfungsverhalten der bei nie­ drigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien, die in den Substratkeramikschichten 12 bis 14 enthalten sind, zu erzielen, können 0 bis 70 Gewichtsprozent Glasfritte oder Keramikpulver zugegeben werden.

Unter dem Gesichtspunkt der Druckqualität wird die Viskosi­ tät der leitfähigen Paste vorzugsweise im Bereich von 50 bis 300 Pa.s eingestellt.

Um die planaren Leiter 16 bis 27 zu bilden, wird die leitfä­ hige Paste mit einem erwünschten Muster auf jede der Grün­ lagen aufgetragen, die den Substratkeramikschichten 12 bis 14 oder der schrumpfungshemmenden Schicht 15 entsprechen, beispielsweise mittels Siebdruck. Um die Durchgangsloch-Lei­ ter 26 bis 33 zu bilden, wird ein Durchgangsloch in jeder der entsprechenden Grünlagen geschaffen, so daß die leitfä­ hige Paste, beispielsweise mittels Siebdruck, in dem Durch­ gangsloch aufgetragen wird.

Das mehrlagige Keramiksubstrat 11, das in Fig. 3 gezeigt ist, kann durch Anwenden des im wesentlichen gleichen Brenn­ schrittes wie der Brennschritt, mit dem das mehrlagige Kera­ miksubstrat 1 erhalten wird, das in Fig. 1 dargestellt ist, hergestellt werden. Die leitfähige Paste wird zur gleichen Zeit mit dem Brennschritt gebacken, um die planaren Leiter 16 bis 27 und die Durchgangsloch-Leiter 28 bis 33 zu bilden.

In Fig. 3 sind die Durchgangsloch-Leiter 28 bis 33 in einem Zustand gezeigt, in dem die Durchgangsloch-Leiter die Durch­ gangslöcher, die in den entsprechenden Schichten der Sub­ stratkeramikschichten 12 bis 14 und der schrumpfungshemmen­ den Schichten 15 jeweils vorgesehen sind, ausfüllen. Jedoch können die Durchgangsloch-Leiter auch nur auf den inneren Oberflächen der Durchgangslöcher gebildet sein.

Die Bildungspositionen der planaren Leiter 16 bis 27 und der Durchgangsloch-Leiter 28 bis 33, die in Fig. 3 gezeigt sind, stellen nur Beispiele dar, und nach Bedarf können verschie­ dene Änderungen vorgenommen werden.

Die planaren Leiter 16 bis 27 können durch die Verwendung einer metallischen Folie oder eines metallischen Drahtes an­ stelle der leitfähigen Paste gebildet werden. In diesem Fall wird z. B. eine metallische Folie oder ein metallischer Draht, die oder der in eine erwünschte Form gestanzt ist, mittels Hitze und Druck auf die entsprechende Grünlage auf­ gebracht. Alternativ wird eine metallische Folie auf einem geeigneten Film durch Naßplattieren, wie z. B. Bedampfen oder Besputtern, oder Trockenplattieren, wie z. B. autokata­ lytisches Plattieren, gebildet, durch Ätzen strukturiert und dann mittels Hitze auf die entsprechende Grünlage transfe­ riert, um die planaren Leiter 16 bis 27 zu bilden.

Bei dem mehrlagigen Keramiksubstrat 11, das in Fig. 3 ge­ zeigt ist, können die anorganischen Materialien, die in der Mehrzahl der schrumpfungshemmenden Schichten 15 enthalten sind, allgemein gleich oder verschieden sein.

Wie an der Schnittstruktur des mehrlagigen Keramiksubstrats 11, das in Fig. 3 gezeigt ist, zu sehen ist, sind die schrumpfungshemmenden Schichten 15 notwendigerweise zwischen den Substratkeramikschichten 12 bis 14 der verschiedenen Typen angeordnet. Jedoch sind die schrumpfungshemmenden Schichten 15 nicht notwendigerweise zwischen Substratkera­ mikschichten des gleichen Typs angeordnet.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die schematisch ein mehrla­ giges Keramiksubstrat 34 gemäß einem weiteren Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Das mehrlagige Keramiksubstrat 34 weist eine erste Substrat­ keramikschicht 35, die ein erstes bei niedrigen Temperaturen sinterndes Keramikmaterial enthält, eine zweite Substratke­ ramikschicht 36, die ein zweites bei niedrigen Temperaturen sinterndes Keramikmaterial enthält, und eine schrumpfungs­ hemmende Schicht 37 auf, die zwischen den benachbarten Schichten der Substratkeramikschichten 35 und 36 angeordnet ist.

Die schrumpfungshemmende Schicht 37 enthält ein anorgani­ sches Material in einem ungesintertem Zustand, das bei den Sintertemperaturen von jedem der ersten und zweiten bei nie­ drigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien nicht sin­ tert. In den schrumpfungshemmenden Schichten 37 dringt Glas, das beim Brennen der bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien erzeugt wird, die in jeder der Substrat­ keramikschichten 35 und 36 enthalten sind oder der Substrat­ keramikschicht 35, die in Kontakt mit der schrumpfungshem­ menden Schicht 37 steht, in das anorganische Material ein, um das anorganische Material zu fixieren.

Das mehrlagige Keramiksubstrat 34 weist ferner planare Lei­ ter 38 bis 43 auf, die entlang der Hauptoberflächen der spe­ zifizierten Schichten der Substratkeramikschichten 35 und 36 vorgesehen sind, und Durchgangsloch-Leiter 44 und 45, die dafür vorgesehen sind, durch die Substratkeramikschichten 35 und 36 und/oder durch die schrumpfungshemmende Schicht 37 zu verlaufen.

Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch charakterisiert, daß das mehrlagige Keramiksubstrat 34 eine Kavität 46 mit einer Öffnung, die zu einer äußeren Oberfläche zeigt, aufweist. Die Kavität 46 ist durch eine Reihe von Durchgangslöchern gebildet, die in den obersten ersten Substratkeramikschich­ ten 35 des mehrlagigen Keramiksubstrats 34, in der schrump­ fungshemmenden Schicht 37, die unter der obersten ersten Substratkeramikschicht 35 angeordnet ist, und in der ersten Substratkeramikschicht 35, die unter der schrumpfungshemmen­ den Schicht 37 angeordnet ist, vorgesehen sind. Die Kavität 46 kann ferner tief oder flach ausgeführt sein.

Das mehrlagige Keramiksubstrat 34 kann durch im wesentlichen das gleiche Verfahren hergestellt werden, wie das mehrlagige Keramiksubstrat 1 oder 11.

Obwohl dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, wird die Ka­ vität 46 des mehrlagigen Keramiksubstrats 34 verwendet um ein weiteres elektronisches Bauteil, wie z. B. einen Halb­ leiterchip, mit den planaren Leitern 38 bis 40 elektrisch zu verbinden, wobei sie das elektronische Bauteil enthält. Ob­ wohl dies in der Zeichnung nicht gezeigt ist, werden die planaren Leiter 42 und 43, die auf der unteren Oberfläche gebildet sind, zum Anbringen des mehrlagigen Keramiksub­ strats auf einer Hauptplatine verwendet.

Im folgenden wird ein experimentelles Beispiel beschrieben, das durchgeführt wurde, um die bevorzugten Ausführungsbei­ spiele der vorliegenden Erfindung zu definieren.

Bei diesem experimentellen Beispiel wurde das Grün-Verbund- Laminat-Produkt 47, das in Fig. 5 gezeigt ist, vorbereitet und gebrannt, um eine mehrlagiges Keramiksubstrat zu bilden. Das Grün-Verbund-Laminat-Produkt 47 weist eine erste Sub­ stratgrünlage 48, die ein erstes bei niedrigen Temperaturen sinterndes Keramikmaterial enthält, eine zweite Substrat­ grünlage 49, die ein zweites bei niedrigen Temperaturen sin­ terndes Keramikmaterial enthält, und eine schrumpfungshem­ mende Grünlage 50 auf, die ein anorganisches Material ent­ hält. Jeweils fünf Schichten der ersten und zweiten Sub­ stratgrünlagen 48 und 49 sind alternierend angeordnet, und die schrumpfungshemmende Grünlage 50 ist auf jede der Sub­ stratgrünlagen 48 und 49 laminiert.

Die Dicke von jeder der ersten und zweiten Substratgrünlagen 48 und 49 war auf 100 µm eingestellt, und die Dicke von je­ der der schrumpfungshemmenden Grünlagen 50 war auf verschie­ dene Werte eingestellt, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Die erste Substratgrünlage 48 wurde wie folgt gebildet.

Polyvinylbutyral als Bindemittel, Di-n-Butylphthalat als Weichmacher und Toluol und Isopropylalkohol als Lösungsmit­ tel wurden mit einer Mischung gemischt, die Bariumoxid, Si­ liziumoxid, Aluminiumoxid, Kalziumoxid und Boroxid enthält, um einen Schlamm vorzubereiten. Als nächstes wurde der Schlamm unter Verwendung eines Rakel-Verfahrens auf einen Trägerfilm aufgebracht, um eine Lage zu bilden, und dann getrocknet, um die erste Substratgrünlage 48 zu erhalten.

Die zweite Substratgrünlage 49 wurde wie folgt gebildet.

Eine Mischung aus Bariumoxid, Neodymoxid, Titanoxid und Bor­ oxid wurde bei einer Temperatur von mindestens 1.000°C hit­ zebehandelt und dann gemahlen. Als nächstes wurden Polyvi­ nylbutyral als Bindemittel, Di-n-Butylphthalat als Weichma­ cher und Toluol und Isopropylalkohol als Lösungsmittel zu dem Pulver zugegeben, das durch Mahlen gewonnen wurde, um einen Schlamm vorzubereiten. Als nächstes wurde der Schlamm mit dem Rakel-Verfahren auf einen Trägerfilm auftragen, um eine Lage zu bilden, und dann getrocknet, um die zweite Sub­ stratgrünlage 49 zu erhalten.

Als nächstes wurde wie folgt ein Schlamm zum Bilden der schrumpfungshemmenden Grünlage 50 vorbereitet.

Wie unten in Tabelle 1 gezeigt, wurden Aluminiumoxid und an­ dere anorganische Materialien als das anorganische Material verwendet und Si-B-Ba-Glas bzw. andere Additive zu einigen Stichproben in den in Tabelle 1 gezeigten Mengen zugegeben. Der Erweichungspunkt des in diesem Beispiel verwendeten Si-B-Ba-Glases betrug 880°C. Als nächstes wurden Polyvinyl­ butyral als Bindemittel, Di-n-Butylphthalat als Weichmacher und Toluol und Isopropylalkohol als Lösungsmittel zu jedem dieser anorganischen Materialien zugegeben, um einen Schlamm zu erhalten. Die Sintertemperatur des anorganischen Materi­ als, das in dem Schlamm von jeder Stichprobe enthalten ist, oder die Sintertemperatur des anorganischen Materials und des Additivs ist in Tabelle 1 gezeigt. Die Sintertemperatur des bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterials, das in jeder der ersten und zweiten Substratgrünlagen 48 und 49 enthalten ist, betrug 900°C.

Der somit erhaltene Schlamm wurde auf jede der ersten und zweiten Substratgrünlagen 48 und 49 aufgebracht und dann ge­ trocknet, um die schrumpfungshemmende Grünlage 50 auf jeder der Substratgrünlagen 48 und 49 zu bilden, deren Dicke in Tabelle 1 gezeigt ist.

Als nächstes wurden jeweils fünf Schichten der ersten und zweiten Substratgrünlagen 48 und 49, auf denen jeweils die schrumpfungshemmende Grünlage 50, wie oben beschrieben, ge­ bildet war, alternierend laminiert und dann bei einer Tempe­ ratur von 80°C und einem Druck von 20 MPa gepreßt, um das Grün-Verbund-Laminat-Produkt 47, das in Fig. 5 gezeigt ist, zu erhalten.

Als nächstes wurde das somit erhaltene Grün-Verbund-Lami­ nat-Produkt 47 in Luft bei einer Temperatur von 1.000°C eine Stunde lang gebrannt, um ein mehrlagiges Keramiksubstrat zu erhalten.

Tabelle 1 zeigt das Ergebnis der Auswertung der Brenn­ schrumpfungsrate für jede Probe in Richtung parallel zu den Hauptoberflächen. In Tabelle 1 steht "NG" in der Spalte der Schrumpfungsrate für das Auftreten des Abblätterns von Schichten.

Bezugnehmend auf Tabelle 1 wird der Einfluß der schrump­ fungshemmenden Grünlage 50 jeder Probe auf den gesinterten Zustand des mehrlagigen Keramiksubstrats betrachtet, das durch Brennen des Grün-Verbund-Laminat-Produktes 47 erhalten wird, das die schrumpfungshemmende Grünlage 50 aufweist.

Der Einfluß der Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage 50 auf den gesinterten Zustand des mehrlagigen Keramiksubstrats kann bezugnehmend auf die Proben 1 bis 8 ausgewertet wer­ den. Die schrumpfungshemmende Grünlage 50 ist nämlich in Probe 1 nicht gebildet, und in den Proben 2 bis 8 wird die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage 50 im Bereich von 0,5 µm bis 30 µm geändert, wobei Aluminiumoxid, das im anor­ ganischen Material enthalten ist, diesen Proben gemeinsam ist.

Bei den Proben 1 und 2, bei denen die Dicke der schrump­ fungshemmenden Grünlage 50 weniger als 1 µm beträgt, und in der Probe 8, in der die Dicke 30 µm oder mehr beträgt, tritt das Abblättern von Schichten auf. Dies deutet darauf hin, daß die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage 50 vorzugs­ weise 1 µm bis zu weniger als 30 µm beträgt. Das ist mögli­ cherweise auf die Tatsache zurückzuführen, daß, wenn die schrumpfungshemmende Grünlage 50 eine Dicke von weniger als 1 µm aufweist, der Effekt der Hemmung des Schrumpfens der Substratgrünlagen 48 und 49 während des Brennens unzurei­ chend ist, während, wenn die schrumpfungshemmende Grünlage 50 eine Dicke von 30 µm oder mehr aufweist, Glas aus den Substratgrünlagen 48 und 49 nicht ausreichend eindringt.

Der Vergleich der Probe 8 mit den Proben 9 und 10 deutet da­ rauf hin, daß durch Zugeben eines Additivs, wie z. B. Glas oder Metall, zu der schrumpfungshemmenden Grünlage 50 das Fixieren des anorganischen Materials in der schrumpfungshem­ menden Grünlage 50 unterstützt wird und, selbst wenn die schrumpfungshemmende Grünlage 50 eine Dicke von 30 µm oder mehr aufweist, kein Schicht-Abblättern auftritt.

Der Vergleich zwischen den Proben 13, 14 und 18 zeigt, daß durch das Zugeben der oben genannten Additive die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage 50 auf bis zu 50 µm erhöht werden kann und das mehrlagige Keramiksubstrat ohne das Schicht-Abblättern hergestellt werden kann.

Bei der Probe 16, bei der die schrumpfungshemmende Grünlage 50 eine Dicke von 60 µm aufweist, tritt das Schicht-Abblät­ tern selbst dann auf, wenn ein Additiv enthalten ist. Dies weist darauf hin, daß selbst mit der Zugabe eines Additivs die schrumpfungshemmende Grünlage 50 vorzugsweise eine Dicke von 50 µm oder weniger aufweist.

Die Proben 11 und 12 deuten darauf hin, daß das Additiv nicht auf Glas und ein Metall limitiert ist, sondern auch ein Oxid verwendet werden kann.

Bei der Probe 15, bei der der Anteil des zugegebenen Addi­ tivs 60 Gewichtsprozent überschreitet, d. h. 80 Gewichtspro­ zent beträgt, beträgt die Sintertemperatur 950°C, womit sie nicht mindestens 100°C höher ist als die Sintertemperatur von 900°C des bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramik­ materials. Somit hat die schrumpfungshemmende Grünlage 50 keine Funktion, um das Schrumpfen der Substratgrünlagen 48 und 49 zu hemmen, wodurch das Abblättern von Schichten in dem mehrlagigen Keramiksubstrat bewirkt wird.

Dieses Ergebnis zeigt, daß die Sintertemperatur des anorga­ nischen Materials, das in der schrumpfungshemmenden Grünlage 50 enthalten ist, oder die Sintertemperatur des anorgani­ schen Materials und des Additivs vorzugsweise mindestens 100°C höher ist als die Sintertemperatur des bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterials.

Wie oben beschrieben wurde, werden gemäß der vorliegenden Erfindung beim Herstellen eines mehrlagigen Keramiksubstrats verschiedene Typen von Substratgrünlagen, die verschiedene bei niedrigen Temperaturen sinternde Keramikmaterialien ent­ halten, in einem Zustand gebrannt, bei dem eine schrump­ fungshemmende Grünlage, die ein anorganisches Material ent­ hält, das bei den Sintertemperaturen von jedem der bei nie­ drigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien nicht sin­ tert, zwischen den Substratgrünlagen angeordnet ist. Im Er­ gebnis schrumpft jede der Substratgrünlagen in Richtung der Dicke, aber ein Schrumpfen von jeder der Substratgrünlagen in Richtung parallel zu ihren Hauptoberflächen wird durch die schrumpfungshemmende Grünlage gehemmt. Selbst bei einem Unterschied zwischen den Schrumpfungsverhalten der verschie­ denen Typen von Substratgrünlagen in Richtung der Dicke üben die Substratgrünlagen keine Belastung aufeinander aus. Des­ halb können die verschiedenen Typen von Substratgrünlagen mit einem Unterschied im Schrumpfungsverhalten in einem la­ minierten Zustand gleichzeitig gebrannt werden, ohne das Ab­ blättern oder Brechen von Schichten zu bewirken. Somit kann ein mehrlagiges Keramiksubstrat, das verschiedene Typen von Substratgrünlagen aufweist, durch gleichzeitiges Brennen ef­ fizient hergestellt werden.

Da das Schrumpfen der Substratgrünlagen in Richtung parallel zu ihren Hauptoberflächen, wie oben beschrieben, gehemmt ist, kann die Positionsgenauigkeit von Verdrahtungsleitern, die in Verbindung mit einem Grün-Verbund-Laminat-Produkt vorgesehen sind, im mehrlagigen Keramiksubstrat nach dem Brennen hoch gehalten werden.

Bei dem mehrlagigen Keramiksubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung dringt Glas aus den Substratkeramikschichten in die schrumpfungshemmende Schicht ein, so daß das anorgani­ sche Material, das in der schrumpfungshemmenden Schicht ent­ halten ist, durch das Glas fixiert wird. Dadurch wird die Kontamination von jeder der Substratkeramikschichten mit fremdem Glas und eine Änderung oder Verschlechterung der Charakteristika von jeder der Substratkeramikschichten ver­ hindert.

Das anorganische Material, das in der schrumpfungshemmenden Schicht enthalten ist, wird auch durch Glas fixiert, um die Feuchtigkeitsbeständigkeit der schrumpfungshemmenden Schicht sicherzustellen und eine hohe Zuverlässigkeit des mehrlagi­ gen Keramiksubstrats zu erhalten. Die schrumpfungshemmende Schicht kann verwendet werden, um z. B. in Fällen, in denen eine thermische Ausdehnung auftritt, als Belastungspuffer zu funktionieren.

Beim Schritt des Brennens zum Erzeugen des mehrlagigen Kera­ miksubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Sin­ tern beispielsweise bei einer relativ niedrigen Temperatur von 1.000°C oder weniger erreicht werden. Deshalb können als Leitermaterialien zum Bilden der Verdrahtungsleiter, die in Verbindung mit dem mehrlagigen Keramiksubstrat vorgesehen sind werden, niederohmige Metalle, wie z. B. Ag, Au, Cu, Ag-Pd und Ag-Pt, vorteilhaft verwendet werden.

Da die Verdrahtungsleiter, wie oben beschrieben, mit hoher Positionsgenauigkeit gebildet werden können, können darüber hinaus die Verdrahtungsleiter, wie z. B. planare Leiter, die entlang der Hauptoberflächen von spezifizierten Substratke­ ramikschichten vorgesehen sind, und Durchgangsloch-Leiter, die vorgesehen sind, um durch spezifizierte Substratkeramik­ schichten und/oder schrumpfungshemmende Schichten hindurch zu führen, mit einer hohen Dichte gebildet werden.

Beim Schritt des Brennens wird das Schrumpfen der Substrat­ grünlagen in Richtung parallel zu ihren Hauptoberflächen ge­ hemmt, wodurch die Bildung einer Kavität mit einer Öffnung, die zu einer äußeren Oberfläche zeigt, in dem mehrlagigen Keramiksubstrat ermöglicht wird.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Keramik­ substrats gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage zwischen 1 µm und weniger als 30 µm eingestellt, so daß der schrumpfungshemmende Effekt der schrumpfungshemmenden Grünlage sicher erhalten wird. Da­ rüber hinaus kann das anorganische Material, das in der schrumpfungshemmenden Grünlage enthalten ist, durch das Glas, das von den Substratgrünlagen geliefert wird, sicher fixiert werden.

Durch Erhöhen der Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage auf z. B. 30 µm oder mehr ist es möglich, die Kontamination verschiedener Typen von Substratgrünlagen mit fremdem Glas sicher zu verhindern. Andererseits wird, wenn die schrump­ fungshemmende Schicht eine übermäßig erhöhte Dicke aufweist, die Glasmenge erhöht, die erforderlich ist, um das anorgani­ sche Material zu fixieren, so daß die Sinterbarkeit der Sub­ stratkeramikschichten verschlechtert wird.

Um dieses Problem zu lösen, wird vorzugsweise mindestens ein Additiv, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Glas, Oxide und Metalle umfaßt, in einer Menge von maximal 60 Gewichts­ prozent, bezogen auf das anorganische Material, zu der schrumpfungshemmenden Schicht zugegeben, um das Fixieren des anorganischen Materials zu unterstützen. In diesem Fall kann die Dicke der schrumpfungshemmenden Schicht bis auf 50 µm erhöht werden, wodurch die Kontamination mit fremdem Glas sicher verhindert wird.

Claims (13)

1. Mehrlagiges Keramiksubstrat mit folgenden Merkmalen:
mindestens zwei Typen von Substratkeramikschichten (2, 3; 12, 13, 14; 35, 36), von denen jede ein unter­ schiedliches bei niedrigen Temperaturen sinterndes Keramikmaterial enthält;
einer schrumpfungshemmenden Schicht (4; 15; 37), die zwischen den unterschiedlichen Typen der Substrat­ keramikschichten vorgesehen ist und die ein anorgani­ sches Material in ungesintertem Zustand enthält, das bei den Sintertemperaturen von jedem der bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien nicht sin­ tert, so daß durch das Brennen der bei niedrigen Tem­ peraturen sinternden Keramikmaterialien, die in den Substratkeramikschichten enthalten sind, Glas in das anorganische Material eindringt, um das anorganische Material zu fixieren; und
einem Verdrahtungsleiter (16-27; 38-43), der in Ver­ bindung mit den Substratkeramikschichten und/oder der schrumpfungshemmenden Schicht vorgesehen ist.

2. Mehrlagiges Keramiksubstrat gemäß Anspruch 1, bei dem der Verdrahtungsleiter (16-27; 38-43) ein leitfähiges Material aufweist, das aus mindestens einem Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Ag, Au, Cu, Ag-Pd und Ag-Pt umfaßt, als einer Hauptkomponente be­ steht.

3. Mehrlagiges Keramiksubstrat gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Verdrahtungsleiter (16-27; 38-43) einen planaren Leiter, der entlang einer Hauptoberfläche einer spezifizierten Schicht der Substratkeramik­ schichten vorgesehen ist, und einen Durchgangsloch- Leiter umfaßt, der zum Durchkontaktieren einer spezi­ fizierten Schicht der Substratkeramikschicht und/oder der schrumpfungshemmenden Schicht vorgesehen ist.

4. Mehrlagiges Keramiksubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner eine Kavität (46) mit einer Öff­ nung, die zu seiner äußeren Oberfläche zeigt, auf­ weist.

5. Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Keramiksub­ strats mit folgenden Schritten:
Vorbereiten eines Grün-Verbund-Laminat-Produktes (1a), das mindestens zwei Typen von Substratgrünlagen (2a, 3a), von denen jede ein unterschiedliches bei niedri­ gen Temperaturen sinterndes Keramikmaterial enthält, eine schrumpfungshemmende Grünlage (4a), die zwischen den unterschiedlichen Typen von Substratgrünlagen vor­ gesehen ist und ein anorganisches Material enthält, das bei den Sintertemperaturen von jedem der bei nie­ drigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien nicht sintert, und einen Verdrahtungsleiter aufweist, der in Verbindung mit den Substratgrünlagen und/oder der schrumpfungshemmenden Grünlage vorgesehen ist; und
Brennen der Grün-Verbund-Laminat-Struktur (1a), wobei beim Schritt des Brennens das bei niedrigen Tem­ peraturen sinternde Keramikmaterial, das in jeder der Substratgrünlagen (2a, 3a) enthalten ist, gesintert wird, während das Schrumpfen in Richtung, die im we­ sentlichen parallel zu den Hauptoberflächen von jeder der Substratgrünlagen (2a, 3a) ist, durch die schrump­ fungshemmende Grünlage (4a) verhindert wird und das anorganische Material, das in der schrumpfungshemmen­ den Grünlage (4a) enthalten ist, durch Glas fixiert wird, das beim Brennen der bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien in das anorganische Ma­ terial eindringt, während das anorganische Material in einem ungesinterten Zustand verbleibt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Schritt des Vorbereitens der Grün-Verbund-Laminat-Struktur (1a) den Schritt des Vorbereitens von jeder der Substrat­ grünlagen (2a, 3a) und der schrumpfungshemmenden Grün­ lage (4a) und den Schritt des Laminierens der Sub­ stratgrünlagen (2a, 3a) und der schrumpfungshemmenden Grünlage (4a) umfaßt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Schritt des Vorbereitens der Grün-Verbund-Laminat-Struktur (1a) den Schritt des Vorbereitens der Substratgrünlagen (2a, 3a), den Schritt des Vorbereitens eines Schlam­ mes, der das anorganische Material enthält, und den Schritt des Aufbringens des Schlammes auf jede der Substratgrünlagen zum Bilden der schrumpfungshemmenden Grünlage (4a) aufweist.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem jedes der bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien bei einer Temperatur von 1.000°C oder weniger gesintert werden kann.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage (4; 4a) im Bereich von 1 µm bis weniger als 30 µm gewählt ist.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem die schrumpfungshemmende Grünlage (4; 4a) mindestens ein Additiv, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Glas, Oxide und Metalle umfaßt, in einer Menge von maximal 60 Gewichtsprozent bezogen auf das anorgani­ sche Material zur Unterstützung des Fixierens des an­ organischen Materials enthält.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Dicke der schrumpfungshemmenden Grünlage (4; 4a) im Bereich bis 50 µm oder weniger gewählt ist.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11, bei dem die Sintertemperatur des anorganischen Materials oder die Sintertemperatur des anorganischen Materials und des Additivs mindestens 100°C höher ist als die Sin­ tertemperatur von jedem der bei niedrigen Temperaturen sinternden Keramikmaterialien.

13. Mehrlagiges Keramiksubstrat, das mittels eines Verfah­ rens gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12 gewonnen wird.