DE102005037456B4

DE102005037456B4 - Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes

Info

Publication number: DE102005037456B4
Application number: DE200510037456
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Hintz; Heiko Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thust
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2025-08-02
Also published as: DE102005037456A1; WO2007014549A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes mit Funktionsinlays und/oder oberflächigen Kavitäten, welche die Schritte Vorbereitung und Stapelung einzelner grüner Keramikfolien aus einem Grundmaterial A, die mit einem Wirkmaterial C oder einem Hilfsmaterial B gefüllte Inlays aufweisen, Laminieren und druckunterstütztes Sintern des Folienstapels sowie dessen Nachbearbeitung umfasst, wobei das Wirkmaterial C und das Hilfsmaterial B ein anderes Schrumpfungsverhalten als das Grundmaterial A aufweisen und das Hilfsmaterial B nach dem Sintern vom Grundmaterial A entfernbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich der im druckunterstützten Sinterprozess im Grund-, Hilfs- und Wirkmaterial auftretenden ungleichen Schrumpfungen in z-Richtung vor dem Laminieren und Sintern der gestapelten grünen Keramikfolien aus dem Grundmaterial A auf die Ober- und/oder Unterseite des Folienstapels mehrere ungesinterte Keramikfolien aus einem Hilfsmaterial D aufgebracht werden, wobei das Hilfsmaterial D ein anderes Schrumpfungsverhalten als das Grundmaterial A aufweist und an den Stellen, an denen im Keramikverbund Funktionsinlays und/oder oberflächige Kavitäten vorgesehen sind, mindestens eine...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes (LTCC-Multilayer) mit Funktionsinlays und/oder oberflächigen Kavitäten.
Ein LTCC-Multilayer (Low Temperature co-fired Ceramics) ist ein keramischer Verbund im Mehrlagenaufbau. Als Basis wird ein flexibles Rohmaterial (grüne Folien) verwendet. Diese ungesinterte grüne Folie besteht aus einem Gemisch aus Glas, Keramik und organischen Bindern und Lösungsmitteln. Bei der Herstellung eines LTCC-Multilayers wird mit dem Zuschnitt der grünen Folien für eine entsprechende Anzahl an Lagen begonnen. Danach werden die unterschiedlichen Lagen mechanisch bearbeitet, d.h. es werden Justage- und Durchkontaktierungslöcher (Vias) in die Folien gestanzt. Anschließend werden diese Vias gefüllt und Metallisierungen, Widerstände und andere Schichten mittels Dickschicht-Siebdruckprozess aufgebracht. Übliche Leitbahnmaterialien sind Gold, Silber, Platin- bzw. Palladiumlegierungen. Es ist auch möglich, durch Stanzen, Laserbearbeitung oder Prägen der einzelnen grünen Folien im LTCC-Multilayer Strukturen zu erzeugen, die nach dem Verbinden der Folien zu Kavitäten, Hohlräumen und Kanälen führen. Das Verpressen der Folien (Laminieren) und das anschließende Sintern bei ca. 850°C – 950°C ergeben den fertigen LTCC-Multilayer. Während des Sinterns schrumpft das LTCC-Material in x/y- und in z-Richtung. Besonders das Schrumpfen in der x/y-Ebene wirkt sich nachteilig auf die Einhaltung der Strukturgenauigkeiten aus. Um dies zu verhindern, wurden Materialien ohne Schrumpfung in x/y-Richtung entwickelt. Dieser positive Effekt wird durch eine Kombination von speziell entwickelten Folien-Materialien erreicht ( US 5,474,741 A , JP 06-097656 A WO 00/04 577 A1 oder DE 103 09 689 B4 .
Eine weitere Möglichkeit die Schrumpfung in der x/y-Ebene zu minimieren besteht darin, während des Sinterns einen Druck in axialer Richtung auf den Schichtverbund auszuüben ( US 5,085,720 A . Jedoch ist bei diesem Verfahren die Herstellung von Funktionsinlays aus einem Material mit einem anderen Schrumpfungsverhalten oder oberflächigen Kavitäten nicht möglich, da das keramische Folienmaterial während des druckunterstützten Sinterns zumindest in der z-Richtung schrumpft und somit entweder zu Beginn oder zum Ende des Sinterprozesses eine ungleiche Druckverteilung auftritt. Auf Grund dieser ungleich verteilten Druckkräfte kommt es zu Rissen und Verformungen im Keramikverbund.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Erzeugung von hochpräzisen Funktionsinlays und/oder oberflächigen Kavitäten in einem mittels druckunterstütztem Sinterverfahren hergestellten mehrlagigen Keramikverbundes bereitzustellen, wobei die Dicke der erzeugten Funktionsinlays und/oder oberflächigen Kavitäten in der Größenordnung einer oder mehrerer LTCC-Foliendicken liegen kann.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Beim druckunterstützten Sintern wird die Sinterschrumpfung der Folienmaterialien in lateraler Ebene (x/y-Richtung) nahezu eliminiert und in die z-Richtung verlagert. Werden Folienmaterialien mit unterschiedlichem Schrumpfungsverhalten in lateraler Ebene kombiniert, kommt es während des uniaxialen Drucksinterprozesses dazu, dass nur noch die Gebiete mit der geringsten z-Schrumpfung also der größten Dicke, mit einem Druck beaufschlagt werden. Resultat ist die Entstehung von Rissen und unerwünschten Verformungen. Grundidee der Erfindung ist es deshalb, durch Verwendung zusätzlicher Füll- bzw. Hilfsfolien einen Ausgleich zu schaffen. Ziel ist es dabei, für jedes Gebiet der x/y-Ebene die gleiche z-Schrumpfung zu realisieren und somit eine gleichmäßige Druckverteilung während des gesamten Sinterprozesses zu erhalten. Dazu werden zusätzlich gestapelte Folien so strukturiert und positioniert, dass sie an den Stellen, an denen im herzustellenden Keramikverbund Funktionsinlays oder oberflächige Kavitäten vorgesehen sind ebenfalls Öffnungen (Durchbrüche, Aussparungen) aufweisen, deren Form und Größe der Aussparung für ein in den Keramikverbund zu integrierendes Funktionsinlay oder für eine oberflächige Kavität entsprechen. Um das Zusammensintern der Folien des herzustellenden Keramikverbundes und der zusätzlich eingefügten Folien zu verhindern, ist der Einsatz einer Trennfolie vorgesehen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt:
1 – schematische Darstellung einzelner Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
Die Herstellung des LTCC-Multilayers ist schematisch in 1 dargestellt. In das Grundmaterial A des herzustellenden Keramikverbundes sollen jeweils in einer Öffnung ein Funktionsinlay (5) aus einem Wirkmaterial C und eine oberflächige Kavität (9) eingefügt werden. Dazu werden die ungesinterten grünen Folien aus dem Grundmaterial A so strukturiert (durch Stanzen, Laserschneiden etc.), dass sich nach dem Stapeln dieser Folien die vorgesehenen Öffnungen bilden. In die Öffnung für das Funktionsinlay (5) wird dann das strukturierte Wirkmaterial C und in die Öffnung für die oberflächige Kavität (9) ein Hilfsmaterial B eingefügt. Das Wirkmaterial C und das Hilfsmaterial B sind durch ein vom Grundmaterial A verschiedenes Schrumpfungsverhalten charakterisiert. Im speziellen Anwendungsfall schrumpfen sie gar nicht. Im Bereich der Öffnungen der, Folien aus dem Grundmaterial A, käme es aufgrund des unterschiedlichen Sinterverhaltens der eingesetzten Materialien zu einer anderen z-Schrumpfung als im restlichen Folienstapel, welche eine ungleichmäßige Druckverteilung auf der Stapeloberfläche zur Folge hätte. Zur Vermeidung dieses negativen Effektes werden deshalb zusätzliche strukturierte (1) und unstrukturierte (2) ungesinterte grüne Folien aus dem Hilfsmaterial D auf den Stapel aufgebracht. Das Hilfsmaterial D weist ebenso wie das Hilfsmaterial B und das Wirkmaterial C ein anderes Schrumpfungsverhalten als das Grundmaterial A auf. Die Strukturierung und Positionierung der Folien (1) aus dem Hilfsmaterial D erfolgt dabei so, dass sie in den Bereichen, in denen im herzustellenden Keramikverbund Funktionsinlays oder oberflächige Kavitäten vorgesehen sind, ebenfalls Öffnungen aufweisen. Die offnungen der Folien (1) aus dem Hilfsmaterial D werden anschließend mit dem Grundmaterial A gefüllt. Dadurch entstehen die Hilfsinlays (6).
Die Dicke und Anzahl der strukturierten Folien (1) aus dem Hilfsmaterial D sowie der eingefügten Hilfsinlays werden dabei so gewählt, dass nach dem Laminierprozess ein Verbund mit einheitlicher Dicke entsteht und auch während des Sinterprozesses die unterschiedlichen Schrumpfungen der verschiedenen Materialien sich in der Art und Weise gegeneinander ausgleichen, dass keine Dickenunterschiede entstehen, der Verbund also gleichmäßig in z- Richtung schrumpft.
Zur Vermeidung des Anhaftens an den Pressplatten des Drucksinterofens wird abschließend auf der Ober- und Unterseite des so entstandenen Folienstapels jeweils eine unstrukturierte Folie (2) aus dem Hilfsmaterial D aufgebracht. Während des druckunterstützten Sinterprozesses schrumpft das Grundmaterial A in z-Richtung in materialabhängigen Maße. Die Hilfsmaterialien B und D und das Wirkmaterial C sintern und schrumpfen im Brennprozess im speziellen Fall nicht. Zusätzlich ist das Hilfsmaterial D so beschaffen, dass es nicht am Grundmaterial A und am Wirkmaterial C festsintert. Es wirkt also wie ein Trennmittel und kann nach dem Sinterprozess z.B. durch Sandstrahlen oder Bürsten entfernt werden. Dies kann zum Beispiel ein erst bei hohen Temperaturen über 1000°C sinternder Werkstoff sein. Nach dem Stand der Technik erfüllen sogenannte „Releasetapes" mit Aluminiumoxidfüllung diese Bedingungen.
Nach dem Laminieren und Sintern werden das Hilfsmaterial D mit den Hilfsinlays (6) aus dem Grundmaterial A und das Hilfsmaterial B in den zu erzeugenden oberflächigen Kavitäten entfernt. Dies kann durch Sandstrahlprozesse, Bürsten etc. erfolgen.
Selbstverständlich liegt es auch im Bereich der Erfindung, dass die Hilfsmaterialien B und D gleich sind oder auch das Wirkmaterial C als Hilfsmaterial verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung hochpräziser Vertiefungen, Kanäle und Funktionsinlays in LTCC-Multilayern in der Größenordnung einer oder mehrerer Foliendicken. So lassen sich auf diese Weise z.B. magnetische Ringkerne in einen LTCC-Multilayer mit hoher Präzision integrieren.
Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die zuvor aus den ungesinterten Keramikfolien des Grundmaterials A ausgestanzten Teile bei der Füllung der Öffnungen in den ungesinterten Keramikfolien aus dem Hilfsmaterial D wiederverwendet werden können und somit die Formen- und Dickengleichheit bei der Füllung der Folien aus dem Hilfsmaterial D gewährleistet ist.

1: mit Öffnungen versehene ungesinterte grüne Keramikfolie aus dem Hilfsmaterial D
2: ungesinterte grüne Keramikfolie aus dem Hilfsmaterial D ohne Öffnung

3: mit Öffnungen versehene ungesinterte grüne Keramikfolie aus dem Grundmaterial A
4: ungesinterte grüne Keramikfolie aus dem Grundmaterial A ohne Öffnung
5: Funktionsinlay aus dem Wirkmaterial C
6: Hilfsinlay aus dem Grundmaterial A
7: Hilfsinlay aus dem Grundmaterial B
8: gesinterter LTCC-Multilayer
9: oberflächige Kavität
A: Grundmaterial
B: Hilfsmaterial
C: Wirkmaterial
D: Hilfsmaterial

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Keramikverbundes mit Funktionsinlays und/oder oberflächigen Kavitäten, welche die Schritte Vorbereitung und Stapelung einzelner grüner Keramikfolien aus einem Grundmaterial A, die mit einem Wirkmaterial C oder einem Hilfsmaterial B gefüllte Inlays aufweisen, Laminieren und druckunterstütztes Sintern des Folienstapels sowie dessen Nachbearbeitung umfasst, wobei das Wirkmaterial C und das Hilfsmaterial B ein anderes Schrumpfungsverhalten als das Grundmaterial A aufweisen und das Hilfsmaterial B nach dem Sintern vom Grundmaterial A entfernbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich der im druckunterstützten Sinterprozess im Grund-, Hilfs- und Wirkmaterial auftretenden ungleichen Schrumpfungen in z-Richtung vor dem Laminieren und Sintern der gestapelten grünen Keramikfolien aus dem Grundmaterial A auf die Ober- und/oder Unterseite des Folienstapels mehrere ungesinterte Keramikfolien aus einem Hilfsmaterial D aufgebracht werden, wobei das Hilfsmaterial D ein anderes Schrumpfungsverhalten als das Grundmaterial A aufweist und an den Stellen, an denen im Keramikverbund Funktionsinlays und/oder oberflächige Kavitäten vorgesehen sind, mindestens eine Keramikfolie aus dem Hilfsmaterial D Öffnungen aufweist, die in ihrer Form und Größe den Öffnungen in den Keramikfolien aus dem Grundmaterial A entsprechen und die mit dem Grundmaterial A (Hilfsinlay (6)) oder mit dem Hilfsmaterial D gefüllt werden und auf die Ober- und Unterseite des Folienstapels eine unstrukturierte ungesinterte Keramikfolie aus dem Material D aufgebracht wird, so dass über die gesamte laterale Ausdehnung des Keramikverbundes eine gleichmäßige Dicke gegeben ist und während des Sinterns eine gleichmäßige Schrumpfung in z- Richtung gewährleistet werden kann und nach dem druckunterstützten Sinterprozess das Hilfsmaterial D mit dem Hilfsinlay (6) und das Hilfsmaterial B in den oberflächigen Kavitäten (9) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmaterial B und das Hilfsmaterial D gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Hilfsmaterial D gleich dem Funktionsmaterial C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines Anhaftens des Hilfsinlays (6) an das Funktionsinlays (5) zusätzliche Trennfolien eingefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche strukturierte Folien aus dem Wirkmaterial C zum Schrumpfungsausgleich eingefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass auf die Folien aus dem Grundmaterial A und auf die Funktionsinlays aus dem Wirkmaterial C vor dem Laminieren Wirkstrukturen, wie z.B. Leitbahnen und Widerstände aufgebracht werden.