DE102004023674A1 - Verfahren zur Beschichtung von Keramikfolien mit Wirkstrukturen sowie Verfahren zur Herstellung eines Keramikverbundes aus diesen - Google Patents
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Abstract
Es ist ein Verfahren zur Beschichtung "grüner" Keramikfolien zu entwickeln, bei dem die aufgebrachten Wirkstrukturen eine höhere Auflösung und gleichzeitig eine größere Schichdicke besitzen und deren Konturen, Formen und elektrische Eigenschaften beeinflussbar sind. Diese Keramikfolien können zur Herstellung von Keramikverbünden mit verbesserten Eigenschaften genutzt werden. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung "grüner" Keramikfolien ist gekennzeichnet durch die Kombination eines Prozesses der Vorbereitung dieser Kramikfolien und eines daran anschließenden fotolithografischen Prozesses, mit dem die gewünschten Wirkstrukturen aufgebracht werden. DOLLAR A Anwendung finden die erfindungsgemäßen Verfahren bei der Herstellung von mehrlagigen Keramikverbünden mit innenliegenden Leitbahnen und Wirkstrukturen wie Widerständen, Kapazitäten u. ä.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Keramikfolien mit Wirkstrukturen und ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes aus diesen Keramikfolien.
- Nach dem Stand der Technik werden mehrlagige Keramikverbünde aus ungebrannten „grünen" Keramikfolien (z.B. LTCC – Low Temperature Cofired Ceramics) hergestellt. Dazu werden die gewünschten metallischen und/oder nichtmetallischen Schichtstrukturen in einem ersten Schritt durch Sieb- oder Schablonendruck, teilweise auch in Kombination mit fotolithografischen Verfahren, oder durch chemische, galvanische oder durch Dünnschichtprozesse wie Bedampfen und Besputtern auf die weitgehend ebenen ungebrannten „grünen" Keramikfolien aufgebracht. Anschließend werden diese Keramikfolien gestapelt und unter Einfluss von Druck und Temperatur laminiert und versintert. Nach diesem Ausbrenn- und Sinterprozess entsteht ein Keramikverbund mit innenliegenden Leitbahnen und gegebenenfalls mit Wirkstrukturen wie Widerständen, Kapazitäten u.ä.
- Nachteilig hierbei ist, dass die auf die ungebrannten „grünen" Keramikfolien aufgebrachten Schichtstrukturen hinsichtlich ihrer Schichtdicke, ihrer Kontur, ihrer Form und ihrer elektrischen Eigenschaften eingeschränkt sind.
- Aus „LTCC-Mehrlagenkeramik für Funk- und Sensor-Anwendungen" (Leuze Verlag: PLUS – 12/2001, Seite 2131 – 2136) ist ein Herstellungsprozess für LTCC-Verbünde bekannt, bei dem vor der Beschichtung der ungesinterten Ausgangsfolie Löcher für Durchkontaktierungen, Positionierungslöcher und Kavitäten beliebiger Größe und Form mittels Laser in die Keramik geschnitten werden. Diese Löcher und Kavitäten werden in einem folgenden Bearbeitungsschritt über bekannte Siebdruckverfahren mit Leitpaste gefüllt.
- Unter Berücksichtigung der vom Markt gestellten Anforderungen nach einer immer höheren Strukturierungsdichte bei gleichzeitiger Verringerung der elektrischen Verluste erweist sich hierbei allerdings die geringe Auflösung (Leiterbahnbreite und -abstand) als nachteilig.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Beschichtung der „grünen" Ausgangskeramikfolien bereitzustellen, mit dem eine Erhöhung der Auflösung und eine gleichzeitige Vergrößerung der Schichtdicke sowie eine Beeinflussung der Kontur, der Form und der elektrischen Eigenschaften der aufgebrachten Leitbahnen und Wirkstrukturen gelingt.
- Aus diesen Keramikfolien können Keramikverbünde mit verbesserten Eigenschaften hergestellt werden.
- Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und des vierten Patentanspruches.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Mit der Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zum Auftrag strukturierter Schichten speziell auf ungesinterten Keramik- oder Glaskeramikmaterialien vorgeschlagen. Es ist gekennzeichnet durch die Kombination eines Prozesses der Vorbereitung der „grünen" Keramikfolien und eines daran anschließenden fotolithografischen Prozesses, mit dem die gewünschten Strukturen aus einem Wirkmaterial auf die vorbereiteten Keramikfolien aufgebracht werden, wobei das Wirkmaterial entweder ein fotostrukturierbares Material oder ein mit einer fotostrukturierbaren Schutzschicht versehenes lösliches Material ist.
- Wirkmaterialien sind Materialien, die sich in ihren Eigenschaften zumindest teilweise vom Material der Keramikfolie unterscheiden und zur Erzielung gewünschter Wirkungen eingesetzt werden. Dabei kann es sich z.B. um die Leitung eines elektrischen Stromes oder eines magnetischen Flusses handeln.
- Die erfindungsgemäßen Verfahren werden im Folgenden näher erläutert.
- Auf mindestens einer Oberflächenseite der ungebrannten „grünen" Keramikfolie werden vorzugsweise durch Prägeverfahren Vertiefungen, Ausnehmungen oder Kavitäten erzeugt. Alternativ dazu sind auch Laserablationen, Ausstanzungen von Zwischenlagen sowie Ätzprozesse zur Erzeugung dieser Strukturen möglich.
- In einem nächsten Verfahrensschritt werden die Leiterbahnen und anderen Wirkstrukturen auf dieser vorbereiteten Keramikfolie durch einen fotolithografischen Prozess erzeugt. Das vorzugsweise pastenförmige oder flüssige fotostrukturierbare oder mit einer fotostrukturierbaren Schutzschicht versehene lösliche Wirkmaterial wird dabei derart auf die Keramikfolie aufgebracht, dass die Oberfläche der Keramikfolie sowie die Vertiefungen, Ausnehmungen oder Kavitäten ganz oder teilweise bedeckt bzw. gefüllt sind. Im anschließenden Entwicklungsprozess werden die gewünschten Leiterbahnen und Wirkstrukturen erzeugt. In einem Zwischenschritt direkt nach dem Belichten, während oder nach dem Entwickeln werden diese Wirkstrukturen durch Abformumg eines anderen Körpers unter Druck und Temperatur verdichtet und/oder zusätzlich geformt. Dadurch können die Kontur, die Form und die elektrischen Eigenschaften dieser Wirkstrukturen entsprechend den Anforderungen verändert werden.
- Aufgrund der teilweisen oder vollständigen Überlagerung der Vertiefungen, Ausnehmungen oder Kavitäten mit dem Wirkmaterial entstehen Wirkstrukturen mit hoher Dicke und definierten Wandgeometrien. Die Wände der Vertiefungen, Ausnehmungen oder Kavitäten schützen die erzeugten Schichten vor Unterätzungen während des Entwicklungsprozesses und bestimmen maßgeblich die Kantenqualität der Schichten am Ende des Herstellungsprozesses.
- Nachfolgend werden Schichten und Keramikfolie nach Bedarf versintert oder einem Trocknungsprozess unterzogen.
- Der fotolithographische Prozess kann entweder direkt auf dem vorgeformten ungesinterten Substrat erfolgen oder erst nach einem Sinterprozess auf den dann ganz oder teilweise versinterten Keramikfolien.
- Die auf diese Weise hergestellten Keramikfolien werden anschließend zur Herstellung von mehrlagigen Keramikverbünden verwendet. Die einzelnen mit mindestens einer strukturierten Schicht versehenen Keramikfolien werden übereinander gestapelt und anschließend versintert oder verklebt.
- Durch die beschriebenen Verfahren ist es möglich, auf oder in keramischen Materialien Schichten hoher Dicken bei gleichzeitig sehr geringen Strukturbreiten und hoher Genauigkeit zu erzeugen. Weiterhin ist es möglich, die Geometrie der Strukturquerschnitte gezielt zu beeinflussen. Dies ist besonders zum Herstellen von Leiterbahnen mit sehr großer Strombelastbarkeit oder gutem Hochfrequenzverhalten vorteilhaft. Bei Verwendung entsprechender Schichtmaterialien zeigen sich auch Vorteile bei der Realisierung von Widerständen, Kapazitäten, Induktivitäten oder mechanischen Elementen.
Claims (4)
- Verfahren zur Beschichtung von ungebrannten Keramikfolien mit Wirkstrukturen dadurch gekennzeichnet, dass a) die Keramikfolien auf ein gewünschtes Maß zugeschnitten werden, b) an mindestens einer Oberflächenseite der Keramikfolien Vertiefungen, Ausnehmungen oder Kavitäten eingearbeitet werden, c) diese zumindest eine Oberfläche zumindest teilweise mit einem fotostrukturierbaren oder mit einem eine fotostrukturierbare Schutzschicht aufweisenden löslichen Wirkmaterial in der Art beschichtet wird, dass die Vertiefungen, Ausnehmungen oder Kavitäten zumindest teilweise mit diesem Wirkmaterial gefüllt werden, d) die Wirkstrukturen mittels fotolithografischem Prozess auf der Keramikfolie strukturiert werden, wobei die Wirkstrukturen zumindest teilweise die Vertiefungen, Ausnehmungen oder Kavitäten überlappen, e) die Wirkstrukturen in einem Zwischenschritt während des fotolithografischen Prozesses nach dem Belichten, während oder nach dem Entwickeln durch Abformung eines Körpers unter Druck und Temperatur verdichtet und/oder geformt werden und f) die Keramikfolien laminiert und gesintert oder getrocknet werden.
- Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen, Ausnehmungen oder Kavitäten auf der Oberflächenseite der Keramikfolie durch Abformen eines anderen Körpers unter Einfluss von Druck und Temperatur, durch Laserstrukturierung, durch Fotostrukturierung oder durch Stanzen erzeugt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen, Ausnehmungen oder Kavitäten auf beiden Oberflächenseiten der Keramikfolie eingearbeitet werden.
- Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei ungebrannte, niedrig sinternde Keramikfolien nach den Ansprüchen 1 bis 3 gestapelt, gepresst und unter dem Einfluss von Druck und Temperatur versintert werden.
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