DE102010011021A1 - Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat - Google Patents

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Abstract

Das Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat zum Herstellen eines keramischen Schaltungssubstrats auf praktische und ökonomische Weise weist die Schritte auf: ein nichtgeladenes keramisches Substrat zu waschen und die Oberfläche des keramischen Substrats durch Ätzen aufzurauen und ein negativ geladenes (oder positiv geladenes) Silizium enthaltendes im Nanobereich oberflächenaktives Mittel auf dem keramischen Substrat aufzubringen, und dann eine positiv geladene (oder negativ geladene) erste Metallschicht auf dem keramischen Substrat aufzubringen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines keramischen Schaltungssubstrats und insbesondere ein Verfahren zur Metallisierung eines keramischen Substrats, um eine Metallschicht auf der Oberfläche eines nicht geladenen keramischen Substrats zu bilden.
  • Im Verlaufe der Entwicklung der Technik und dem Wunsch der Menschen, ein besseres Leben zu führen, ist die Anwendung von Erzeugnissen immer kritischer geworden. Als Konsequenz sind dauernd neue Materialien geschaffen worden, um die Marktbedürfnisse zu befriedigen. Die Hersteller investieren immer wieder Geld, um IC-Packungen zu erzeugen, die eine bessere Übertragungswirksamkeit und Wärmeableitungswirksamkeit bei kleinerer Packungsgröße für Benutzung in mobilen elektronischen Erzeugnissen (Mobiltelefone, Mininotebooks usw.) haben. Heute werden keramische Substrate sehr stark benutzt, um andere konventionelle Substratmaterialien zu ersetzen, um elektronische Einrichtungen zu schaffen, da sie den Vorteil guter elektrischer Isolierung, hoher chemischer Stabilität, ausgezeichneter elektromagnetischer Charakteristiken, großer Härte und großer Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung haben sowie temperaturunempfindlich sind. Die Schaltungsschicht eines keramischen Schaltungssubstrats wird mit Hilfe einer Technik von Druck unter erhöhter Temperatur gebildet, um ein Metallmaterial auf die Oberfläche des vorbereiteten keramischen Substrats zu bonden. Gemäß diesem Verfahren hat die Schaltungsschicht eine gewisse Dicke, und es bildet sich leicht Kupferoxid an der Verbindungsstelle, was zu einem starken Anwachsen des thermischen Widerstands führt. Wenn eine Schaltungsschicht mit einem dünnen Metall hergestellt wird, kann die Schaltungsschicht während der Anwendung von Druck und Temperatur brechen, wodurch die Produktqualität verringert wird und die Herstellungskosten erhöht werden.
  • Demgemäß besteht dauernd der Bedarf für Metallisierung eines keramischen Substrats, bei dem das vorgenannte Problem vermieden wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Umstände geschaffen. Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein nichtgeladenes keramisches Substrat (z. B. AIN/A1203/LTTC) hergestellt und mit reinem Wasser gewaschen, und dann wird die Oberfläche des gereinigten keramischen Substrats mit Hilfe von Ätztechnik aufgerauht, und dann wird ein negativ geladenes, Silicium enthaltendes im Nanobereich wirksames oberflächenaktives Mittel (nanoscaled surface active agent) auf die aufgerauhte Oberfläche des keramischen Substrats aufgebracht, und dann wird eine positiv geladene erste Schicht (z. B. Si/Ni/Cr, Fe/Co oder Fe/Co/Ni) auf das keramische Substrat mit Hilfe einer Beschichtungstechnik aufgebracht. Dieses Herstellungsverfahren ist einfach und ökonomisch. Mit Hilfe der Anziehung von positiven und negativen Ladungen wird die erste Metallschicht fest an das keramische Substrat gebonded.
  • Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine zweite Metallschicht auf die erste Metallschicht aufgebracht, und es wird dann ein trockener Film auf die zweite Metallschicht aufgebracht, und es wird dann eine Ätztechnik angewendet, um den trockenen Film, die zweite Metallschicht und die erste Metallschicht in Abhängigkeit von einem vorher bestimmten Schaltungsmuster zu ätzen, und dann wird eine Beschichtungstechnik verwendet, um ein Metallmaterial auf die bemusterte zweite Metallschicht mit einer vorbestimmten Dicke aufzubringen. Auf diese Weise wird ein keramisches Substrat hergestellt, das hohe Leitfähigkeit und gute Wärmeableitungscharakteristiken hat. Weiter kann die Beschichtungstechnik Vakuumablagerung, chemische Dampfablagerung, Zerstäubungsablagerung oder chemische Plattierung sein.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1: ein Ablaufdiagramm eines Metallisierungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung für ein keramisches Substrat;
  • 2: ein detailliertes Ablaufdiagramm des Metallisierungsverfahrens der vorliegenden Erfindung für ein keramisches Substrat;
  • 3: die Herstellung eines keramischen Schaltungssubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung (I), und
  • 4: die Herstellung eines keramischen Schaltungssubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung (II).
  • Bezugnehmend auf die 1, 2 und 3 weist ein Metallisierungsverfahren der vorliegenden Erfindung für ein keramisches Substrat die Schritte auf:
    (100) Reinige die Oberfläche eines keramischen Substrats 1 und wende dann eine Ätztechnik an, um die Oberfläche des keramischen Substrats 1 aufzurauhen;
    (101) Beschichte die Oberfläche des keramischen Substrats 1 mit einer Schicht eines im Nanobereich oberflä chenaktiven Mittels 2 (nanoscale surface active agent), um die Eigenschaften des keramischen Substrats 1 zu verändern;
    (102) Verwende eine Beschichtungstechnik, um eine erste Metallschicht 3 auf das im Nanobereich oberflächenaktive Mittel 2 aufzubringen, damit das keramische Substrat 1 die erste Metallschicht 3 tragen kann;
    (103) Verwende eine Beschichtungstechnik, um wenigstens eine zweite Metallschicht 4 auf die erste Metallschicht 3 aufzubringen;
    (104) Bringe einen trockenen Film 5 durch Bonden auf der zweiten Metallschicht 4 auf;
    (105) Verwende eine Ätztechnik, um den trockenen Film 5, die zweite Metallschicht 4 und die erste Metallschicht 3 teilweise entsprechend einem vorbestimmten Schaltungsmuster zu entfernen;
    (106) Entferne den restlichen Teil des trockenen Films 5 und beschichte dann die obere Oberfläche der bemusterten zweiten Metallschicht 4 mit einer Schicht von Nickel und dann einer Schicht von Gold/Silber, wodurch die Herstellung des Schaltungssubstrats beendet wird.
  • Das keramische Substrat 1 ist ein anorganisches Glied, das keine positiven oder negativen Ladungen trägt. Während der Ausführung des vorgenannten Metallisierungsverfahrens für ein keramisches Substrat wird das keramische Substrat 1 mit laufendem reinen Wasser gewaschen, zum Beispiel destilliertem Wasser oder gefiltertem sauberem Wasser, und es wird dann eine Ätztechnik auf das keramische Substrat 1 angewendet, um die Oberfläche des kerami schen Substrats 1 für Metallbeschichtung aufzurauhen. Danach wird die Oberfläche des keramischen Substrats 1 mit einer Schicht von einem Silizium enthaltenden im Nanobereich oberflächenaktiven Mittel 2 beschichtet, wobei die Eigenschaften der Oberfläche des keramischen Substrats verändert werden und ein molekularer Film auf der Oberfläche des keramischen Substrats 1 gebildet wird, um die Oberflächenspannung zu verringern und die Kapillaranziehung zu verringern. Der molekulare Film dringt in das keramische Substrat 1 ein und benetzt dieses, wodurch die Bildung von Blasen bei der weiteren Verarbeitung vermieden wird. Mithilfe einer Schicht von Silizium enthaltenden im Nanobereich oberflächenaktiven Mittel 2, um die Eigenschaften der Oberfläche des keramischen Substrats 1 abzuwandeln, und durch Aktivierung von anorganischen Kationen wird die SiO2 (Siliziumdioxid) Oberfläche von einem negative Ladungen tragenden Zustand zu einem positive Ladungen tragenden Zustand verändert wird, und es wird dann ein anionisches Surfactant oder Tensid gebonded, um Veränderungen der Eigenschaften der Oberfläche des keramischen Substrats 1 zu bewirken. Anorganische Modifizierung wird vorzugsweise erreicht durch: SiOH + SCa2+ → SiOCa+ + 2H+ SiOCa+ + 2e– → SiOCa+·e– (organische Oberflächenmodifizierungsreaktion)
  • Das negativ geladene im Nanobereich oberflächenaktive Mittel 2 am keramischen Substrat 1 zieht daher die positiv geladene erste Metallschicht 3 an, wobei eine Anziehung von positiven und negativen Ladungen gebildet wird. Das im Nanobereich oberflächenaktive Mittel 2 dient daher als ein Medium zum Bonden zwischen dem keramischen Substrat 1 und der positiv geladenen ersten Metallschicht 3. Weiter kann die vorgenannte Beschichtungstechnik Vakuumablagerung, chemische Dampfablagerung, Zerstäubungsablage rung oder chemische Plattierung sein, wodurch es ermöglicht wird, dass die erste Metallschicht 3 aus irgendeiner Vielzahl von Metallmaterialien die Oberfläche des keramischen Substrats 1 bedeckt.
  • Während der Beschichtung bewirkt die erste Metallschicht 3 die Bildung eines elektrischen Gleichstromfeldes oder Hochfrequenzfeldes auf dem keramischen Substrat 1, was Ionisierung von Inertgas bewirkt, um Entladungsplasma zu erzeugen, sodass Auftreffen zwischen ionisierten Ionen und Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auftritt, was Ablagerung der Metallmoleküle auf der Oberfläche des keramischen Substrats 1 bewirkt. So wird bedeckend die erste Metallschicht 3 auf der Oberfläche des keramischen Substrats 1 in der gewünschten Dicke aufgebracht. Die Dicke der ersten Metallschicht 3 kann 0,01–1 μm betragen. Die erste Metallschicht 3 kann aus Si/Ni/Cr-Legierung, Fe/Co-Legierung oder Fe/Co/Ni-Legierung hergestellt werden.
  • Man sollte verstehen, dass das im Nanobereich oberflächenwirksame Mittel 2 negativ geladen sein kann, um eine positiv geladene erste Metallschicht 3 anzuziehen. Alternativ kann das im Nanobereich oberflächenaktive Mittel 2 positiv geladen sein, um eine negativ geladene erste Metallschicht 3 anzuziehen. Mit Hilfe der Anziehung von positiven und negativen Ladungen dient das im Nanobereich oberflächenaktive Mittel 2 als ein Medium zum Bonden, damit die erste Metallschicht 3 sicher an das keramische Substrat gebonded wird.
  • Nach Beschichtung der ersten Metallschicht 3 auf das keramische Substrat 1 wird eine zweite Metallschicht 4 (hergestellt aus Kupfer oder irgendeinem anderen reinen Metall oder Metalllegierung) an die erste Metallschicht 3 mit Hilfe einer Beschichtungstechnik gebondet, wodurch die Dicke der Metallmaterialien auf keramischen Substrat erhöht wird und die Struktur der Metallmaterialien verfestigt wird. Unterschiedliche Dicken unter schiedlicher Metallmaterialien können so auf das keramische Substrat 1 gebondet werden, um mit unterschiedlichen Marktanforderungen für unterschiedliche Anwendungen zusammenzupassen. Es gibt keine strengen Begrenzungen bezüglich der Metallmaterialien. Weiter kann das Beschichten der ersten Metallschicht 3 und der zweiten Metallschicht 4 mit Hilfe von Vakuumablagerung, chemischer Dampfablagerung, Zerstäubungsablagerung oder chemischer Plattierung erreicht werden. Es ist nicht notwendig, ein teures Beschichtungsverfahren zu verwenden. Daher erleichtert die Erfindung die Herstellung von keramischen Schaltungssubstraten und senkt wirksam die Herstellungskosten.
  • Weiter kann der Trockenfilm 5, der auf die zweite Metallschicht 4 gebondet werden soll, ein fotopolymeres Harz sein. Eine positive Platte einer Fotomaske, die aufgrund des vorbestimmten Schaltungsmusters hergestellt ist, wird auf den Trockenfilm 5 auf die Oberseite der zweiten Metallschicht 4 aufgebracht, und dann wird eine Belichtungsmaschine betrieben, um Schritte der Vakuumherstellung, Druckerzeugung und Bestrahlung mit Ultraviolett ablaufen zu lassen. Der Schritt der Bestrahlung mit Ultraviolett soll Ultraviolettstrahlen auf den Trockenfilm 5 schicken, wodurch Fotopolymerisierung des Trockenfilms 5 bewirkt wird. In Abhängigkeit von der Maskierungswirkung der Fotomaske erreichen Ultraviolettstrahlen nicht den Teil, der dem vorbestimmten Schaltungsmuster entspricht, sodass ein Entwickler verwendet werden kann, den nicht polymerisierten Teil des Trockenfilms und den entsprechenden Teil der ersten Metallschicht 3 und der zweiten Metallschicht 4 zu ätzen. Mit Hilfe von physikalischer und chemischer Abstreiftechniken wird das gewünschte Schaltungsmuster erzeugt. Da die zweite Metallschicht 4 aus Kupfer hergestellt ist, hat sie außerdem hohe elektrische Leitfähigkeit und gute Wärmeableitungscharakteristiken. Nach Entfernen des restlichen Trockenfilms von der geätzten zweiten Metallschicht 4 wird die gemusterte zweite Metallschicht 4 mit einer Schicht aus Nickel und dann einer Schicht von Gold, Palladium oder Silber für Hochfrequenzanwendungen beschichtet. Die beschichtete Schicht von Nickel verhindert Übertragung von Kupfer von der zweiten Metallschicht 3 zur Schicht von Gold, Palladium oder Silber.
  • Bei der tatsächlichen Anwendung hat das Metallisierungsverfahren der vorliegenden Erfindung für ein keramisches Substrat die folgenden Vorteile und Merkmale:
    • 1. Die Aufbringung des im Nanobereich oberflächenaktiven Mittels 2 auf der Oberfläche des keramischen Substrats 1 erlaubt die Ablagerung einer dünnen Schicht der ersten Metallschicht 3 auf der Oberfläche des keramischen Substrats 1, um Marktbedingungen zu genügen.
    • 2. Die Aufbringung des im Nanobereich oberflächenwirksamen Mittels 2 auf der Oberfläche des keramischen Substrats 1 ermöglicht, dass die erste Metallschicht 3, die aus irgendeiner Vielzahl von Metallmaterialien hergestellt ist, auf der Oberfläche des keramischen Substrats 1 mit Hilfe irgendeiner Vielzahl von Ökonomischen Beschichtungstechniken einschließlich Vakuumablagerung, chemischer Dampfablagerung, Zerstäubungsablagerung und chemischem Plattieren gebildet werden kann, wodurch Herstellungskosten eingespart werden.
    • 3. Nach Aufbringung der ersten Metallschicht 3 auf das keramische Substrat 1 wird mindestens eine Metallschicht 4, die aus einer Reihe von Metallmaterialien oder ihren Legierungen gebildet ist, auf die erste Metallschicht 3 durch irgendeine einer Vielzahl von Beschichtungstechniken aufgebracht, um den Markterfordernissen genüge zu tun. Ein großer Bereich von Metallmaterialien kann selektiv für die wenigstens eine zweite Metallschicht 4 benutzt werden, um unterschiedlichen Anforderungen für unterschiedliche Anwendungen genüge zu tun.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die Erfindung die Oberfläche eines ungeladenen keramischen Substrats 1 mit einer Schicht von im Nanobereich oberflächenaktiven Mittels 2 beschichtet wird, um eine positiv geladene oder negativ geladene Oberflächenschicht für die Ablagerung eines dünnen Films einer ersten Metallschicht 3 und die Ablagerung von wenigstens einer zweiten Metallschicht 4 auf der ersten Metallschicht 3 zu bilden, nachdem die erste Metallschicht entsprechend einem vorbestimmten Schaltungsmuster geätzt worden ist. Die Erfindung erlaubt also die Herstellung von unterschiedlichen keramischen Schaltungssubstraten in praktischer und ökonomischer Weise, um unterschiedlichen Anforderungen für unterschiedliche Anwendungen genüge zu tun.
  • Obwohl eine besondere Ausführungsform der Erfindung detailliert für Illustrationszwecke beschrieben worden ist, können verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen daran vorgenommen werden, ohne vom Geist und Bereich der Erfindung abzuweichen. Demgemäß soll die Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt sein.

Claims (14)

  1. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) zum Bilden eines dünnen Films von Metall auf der Oberfläche des keramischen Substrats (1), dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte aufweist: (a) ein vorbereitetes keramisches Substrat (1) mit laufendem Wasser zu reinigen und dann eine Ätztechnik einzusetzen, um die Oberfläche des keramischen Substrats (1) aufzurauhen; (b) ein negativ geladenes im Nanobereich oberflächenaktives Mittel (2) auf die aufgerauhte Oberfläche des keramischen Substrats (1) zu beschichten; und (c) eine Beschichtungstechnik zu verwenden, um eine positiv geladene erste Metallschicht (3) auf dem keramischen Substrat (1) aufzubringen.
  2. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter die Schritte aufweist: (d) eine Beschichtungstechnik zu verwenden, um eine zweite Metallschicht (4) auf die positiv geladene erste Metallschicht (3) nach Beendigung von Schritt (c) aufzubringen; (e) einen Trockenfilm (5) auf die zweite Metallschicht (4) zu bonden und dann den Trockenfilm, die zweite Metallschicht (4) und die erste Metallschicht (3) in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Schaltungsmuster zu ätzen, und dann den restlichen Trockenfilm (5) von der bemusterten zweiten Metallschicht zu entfernen; und (f) ein Beschichtungsverfahren zu verwenden, um ein Metallmaterial auf der bemusterten zweiten Metallschicht (4) mit einer vorbestimmten Dicke aufzubringen.
  3. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätztechnik, die zum Aufrauhen der Oberfläche des keramischen Substrats (1) verwendet wird, eine Mikroätztechnik ist.
  4. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das laufende Wasser, das zum Reinigen des keramischen Substrats (1) verwendet wird, reines destilliertes Wasser ist.
  5. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das im Nanobereich oberflächenaktive Mittel (2) ein im Nanobereich oberflächenaktives Mittel ist, das Silizium enthält.
  6. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (3) eine Dicke im Bereich zwischen 0,01 bis 1 μm hat.
  7. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (3) aus der Metalllegierungsgruppe von Si/Ni/Cr-Legierung, Fe/Co-Legierung und Fe/Co/Ni-Legierung gebildet ist.
  8. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) zum Bilden eines dünnen Metallfilms auf der Oberfläche eines keramischen Substrats (1), dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte aufweist: (a) ein vorbereitetes keramisches Substrat mit laufendem Wasser zu reinigen und dann eine Ätztechnik zu verwenden, um die Oberfläche des keramischen Substrats (1) aufzurauhen; (b) ein positiv geladenes im Nanobereich oberflächenaktives Mittel (2) auf die aufgerauhte Oberfläche des keramischen Substrats (1) aufzubringen; und (c) eine Beschichtungstechnik zu verwenden, um eine negativ geladene erste Metallschicht (3) auf dem keramischen Substrat (1) aufzubringen.
  9. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter die Schritte aufweist: (d) eine Beschichtungstechnik zu verwenden, um eine zweite Metallschicht (4) auf der negativ geladenen ersten Metallschicht (3) nach Beendigung von Schritt (c) aufzubringen; (e) einen Trockenfilm (5) auf die zweite Metallschicht (4) zu bonden, und dann den Trockenfilm, die zweite Metallschicht (4) und die erste Metallschicht (3) in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Schaltungsmuster zu ätzen, und dann den restlichen Trockenfilm (5) von der bemusterten zweiten Metallschicht zu entfernen; und (f) eine Beschichtungstechnik zu verwenden, um ein Metallmaterial auf die bemusterte zweite Metallschicht (4) mit einer vorbestimmten Dicke aufzubringen.
  10. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätztechnik, die zum Aufrauen der Oberfläche des keramischen Substrats (1) verwendet wird, eine Mikroätztechnik ist.
  11. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das laufende Wasser, das zum Reinigen des keramischen Substrats (1) verwendet wird ist, reines destilliertes Wasser ist.
  12. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das im Nanobereich oberflächenaktive Mittel (2) ein Silizium enthaltendes im Nanobereich oberflächenaktives Mittel ist.
  13. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 1 μm hat.
  14. Metallisierungsverfahren für ein keramisches Substrat (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallschicht (3) aus der Metalllegierungsgruppe von Si/Ni/Cr-Legierung, Fe/Co-Legierung und Fe/Co/Ni-Legierung ausgewählt wird.
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