DE102012220948A1 - Eingebettete metallische Strukturen in Substraten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, insbesondere zur Verwendung als Platine. Damit neben den zweidimensionalen flachen und ebenen, d. h. plattenförmigen Substraten auch dreidimensionale, d. h. gekrümmte oder eckige Substrate auch tiefgründig metallisiert werden können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in das Substrat mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen eingegraben werden und anschließend in den Gräben und/oder Ausnehmungen die metallischen Strukturen erzeugt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, insbesondere zur Verwendung als Platine und ein Substrat hergestellt mit diesem Verfahren.
  • Es sind eingebettete Leitungsstrukturen aus der Multichip-Modul-Technik bekannt. Dort werden in Dickfilmtechnik gedruckte metallische Strukturen (Leiterbahnen, elektrische Kontaktierungspunkte) in die noch nicht gehärteten Leiterplatten, wie Keramikfolien unter Druck und Temperatur einlaminiert. Dies ist jedoch nur bei ebenen, d.h. zweidimensionalen Platten möglich. Außerdem dürfen die Leiterbahnen nicht zu hoch (bzw. dick) sein (höchstens 10–20 µm), sonst können sie nicht mehr ganz eingedrückt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass neben den zweidimensionalen flachen und ebenen, d. h. plattenförmigen Substraten auch dreidimensionale, d. h. gekrümmte oder eckige Substrate bevorzugt auf mehreren Seiten auch tiefgründig metallisiert werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen eingegraben werden und anschließend in den Gräben und/oder Ausnehmungen die metallischen Strukturen erzeugt werden.
  • Hierdurch kann man zweidimensionale flache und ebene aber besonders auch dreidimensionale, d. h. gekrümmte Körper oder eckige Körper auf mehreren Seiten auch tiefgründig metallisieren. Diese Körper sind zum Beispiel Keramiksubstrate auf denen Metallisierungsbereiche aufgebracht werden, die als Platinen verwendet werden. Sinnvoll ist dies unter anderem dann, wenn Chips oder ganze Sekundärschaltkreise z. B. aus Polyimid platziert werden sollen.
  • Bevorzugt weist daher das Substrat eine von der ebenen Platte abweichende, d. h. dreidimensional gekrümmte oder eckige Geometrie auf. Durch die Verwendung eines Lasers ist dies möglich. Es sind hierdurch dreidimensionale komplexe Geometrien möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das Substrat ein Keramiksubstrat oder ein Kunststoffsubstrat.
  • Bei einem Keramiksubstrat besteht dieses bevorzugt aus einer AlN-Keramik, wobei nach dem Eingraben in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem Laser durch Zersetzung Al erzeugt wird, das dann mit bekannten Verfahren wie stromlos Nickel, Gold oder Kupfer und deren Legierungen oder einer Mischung dieser weiter verstärkt wird.
  • Alternativ wird das Keramiksubstrat nach dem Eingraben in eine organische Metallsalzlösung, wie z.B. Silberacetat oder Kupferacetat getaucht und anschließend werden die Metallsalze in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem geeigneten Laser belichtet, wobei sich die Metallsalze zu Elementen umwandeln, die sich mit der Keramik haftfest verbinden.
  • Bevorzugt werden den Metallsalzen ein Oxid oder glasbildende Additive wie Zinkacetat oder Silicone zugegeben.
  • In einer Ausführungform werden nach dem Eingraben die Gräben und/oder Ausnehmungen mit einer Dickfilmpaste aus einem Metall gefüllt und anschließend wird mit einem geeigneten Laser direkt in der Laserspur, d. h. in den Gräben und/oder Ausnehmungen gesintert.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die nicht belichteten Stellen außerhalb der Gräben und/oder Ausnehmungen oder in Teilbereichen der Gräben und/oder Ausnehmungen abgewaschen oder abgeschliffen.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Metallisierungen in den Gräben und/oder Ausnehmungen stromlos oder kathodisch verstärkt und/oder mit Deckmetallen überzogen.
  • Bevorzugt schließen die in den Gräben und/oder Ausnehmungen erzeugten Metallisierungen mit der Oberfläche der Substrate auf einer Ebene ab und ragen nicht aus dem Substrat hervor und sind damit stapelbar.
  • Ein erfindungsgemäßes Substrat mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, hergestellt mit dem eben beschriebenen Verfahren, zeichnet sich dadurch aus, dass die metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen eine in Bezug auf die Oberfläche der Substrate gemessene vertikale Dicke von größer 30 µm, besonders bevorzugt größer 40 µm, ganz besonders bevorzugt größer 45 µm und in einem wichtigen Anwendungsfall sogar 50 µm auf.
  • Mit der nachfolgend beschriebenen Erfindung kann man zweidimensionale flache und ebene aber besonders auch dreidimensionale, d.h. gekrümmte Körper oder eckige Körper auf mehreren Seiten auch tiefgründig metallisieren. Diese Körper sind zum Beispiel Keramiksubstrate auf denen Metallisierungsbereiche aufgebracht werden, die als Platinen verwendet werden.
  • Sinnvoll ist dies unter anderem dann, wenn Chips oder ganze Sekundärschaltkreise aus Polyimid platziert werden sollen.
  • Die Erfindung beschreibt ein (bevorzugt dreidimensionales) Keramiksubstrat oder auch Kunststoffsubstrat mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, hergestellt aus einem keramischen oder organisch-chemischen Grundkörper, in den mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen für die metallischen Strukturen eingegraben werden. Anschließend wird die Metallisierung in den Gräben und/oder Ausnehmungen erzeugt. Unter dreidimensionalem Keramiksubstrat wird eine von einer ebenen Platte abweichende Geometrie verstanden.
  • Zur Metallisierung kann man beispielsweise bei einem Keramiksubstrat aus einer AlN-Keramik in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem Laser durch Zersetzung Al erzeugen, das dann mit bekannten Verfahren wie stromlos Nickel, Gold oder Kupfer und deren Legierungen oder einer Mischung dieser weiter verstärkt wird.
  • Alternativ kann man das Keramiksubstrat bzw. den keramischen Körper mit den Gräben und/oder Ausnehmungen in eine organische Metallsalzlösung wie z.B. Silberacetat oder Kupferacetat tauchen, dann werden die Metallsalze in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem geeigneten Laser belichtet und die Metallsalze zu den Elementen umgewandelt, die sich mit der Keramik haftfest verbinden. Zur besseren Haftung können den Metallsalzen ein Oxid oder glasbildende Additive wie Zinkacetat oder Silicone zugegeben werden. Alternativ ist auch eine Metallisierung mit einer handelsüblichen Dickfilmpaste möglich, die man in die Gräben und/oder Ausnehmungen bzw. in das Layout füllt. Dann wird mit einem geeigneten Laser direkt in der Laserspur, d.h. in den Gräben und/oder Ausnehmungen gesintert. Eventuell überschüssige ungesinterte Partien kann man mit einem wässrigen Detergens mit Ultraschallunterstützung wieder entfernen.
  • Die nicht belichteten Stellen außerhalb der Gräben und/oder Ausnehmungen oder in Teilbereichen der Gräben und/oder Ausnehmungen können einfach abgewaschen werden oder auch abgeschliffen werden. Die Metallisierungen in den Gräben und/oder Ausnehmungen können anschließend stromlos oder kathodisch weiter verstärkt bzw. mit Deckmetallen überzogen werden.
  • Man erhält hierdurch Metallisierungen, die mit der Keramik auf einer Ebene abschliessen und dadurch für eine Kombination mit Schaltungschips oder flexiblen Schaltungen (z.B. auf/in Polyimid) gut geeignet sind.
  • Solche lasererodierten und in Gräben und/oder Ausnehmungen leitfähig gemachte Keramiken könnten auch dazu dienen, besonders schnell Prototypen von metallisierten Schaltkreisen in/auf Keramik zu erzeugen. So könnte an einem Kopiergerät eine Layoutzeichnung gescannt werden und sogleich in Laserbefehle zur Steuerung des Lasers umgesetzt werden.
  • Die Erfindung schließt eine Lücke zwischen Dünnfilm- und Dickfilmmetallisierung. Starke Metallisierungen oder auch unterschiedlich starkte Metallisierungen auf einem Bauteil mit grober und feiner Struktur sind nebeneinander möglich.
  • Beispiel 1:
  • In ein gesintertes keramisches Substrat (Keramiksubstrat) aus AlN der Grösse 114·114·2 mm werden Gräben und/oder Ausnehmungen von 50 µm Tiefe gelasert. Beim Lasern entsteht aus der Zersetzung von AlN → Al + 0,5 N2 durch Laserlicht eine dünne Schicht Aluminium. Diese Schicht Aluminium wird verstärkt, indem das gelaserte Keramiksubstrat für 30 min in ein chemisches Nickel Bad gebracht wird (Ni2+, meist als Sulfamat im Bad gelöst, wird durch Reduktionsmittel wie Natriumhypophosphit an einer „bekeimten“ Oberfläche aus Pd, und später nach Abdeckung dieser Pd-Keime durch das schon abgeschiedene Nickel selber zum elementaren Ni reduziert. Die Bekeimung auf Wolfram beispielsweise erzeugt man durch Tauchen in eine Lösung von Pd2+, meist eine stark verdünnte Palladium(II)-chloridlösung oder Ammoniumtetrachloropalladat(II)-Lösung). Danach wird stromlos eine dünne Goldschicht von 0,1 µm stromlos aufgebracht. Das Ergebnis ist eine Keramik mit eingebetteten elektrisch leitenden Strukturen, wie Sie zum Beispiel als Träger für elektrische/elektronische Elemente verwendet werden. Die elektrisch leitenden Strukturen befinden sich bevorzugt komplett in der Keramik, d.h. ragen aus der Oberfläche der Keramik nicht hervor.
  • Beispiel 2:
  • In ein gesintertes keramisches Substrat (Keramiksubstrat) aus AlN der Grösse 114·114·2 mm wird mit einem definierten Layout eine Struktur (Gräben und/oder Ausnehmungen) von 50 µm Tiefe mit einem Excimerlaser eingebracht. Die Keramik wird in eine Lösung aus 10% Silberacetat und 5% Polyvinylalkohol (zur Andickung) getaucht. Dann wird das Teil bei 70°C getrocknet. Mit einem Fineline-Laser wird in den zuvor eingebrachten Vertiefungen die Metallsalzschicht zum Metall Silber konvertiert, indem durch die eingebrachte Wärme das Acetat zersetzt wird. In 80°C heißem DI-Wasser (entmineralisiertes Wasser) werden die nicht zersetzten Bereiche mit Silberacetat-Polyvinylalkohol wieder aufgelöst. Die Silberschicht kann kathodisch mit Gold verstärkt werden, bis man einen ebenen Abschluss von Gräben und Keramik hat.
  • Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Substrate ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet, die der Reihe nach auszuführen sind:
    • 1) In einen keramischen oder organisch-chemischen Grundkörper (Keramiksubstrat oder auch Kunststoffsubstrat) werden mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen eingebracht.
    • 2) Anschließend wird die Metallisierung in den Ausnehmungen eingebracht oder erzeugt.
    • 3) Die Metallisierung in den Gräben und/oder Ausnehmungen bilden bevorzugt einen ebenen Abschluss mit der Oberfläche des Substrats, d.h. die Metallisierung ist im Substrat eingebettet.
  • In den 1 bis 4 sind verschiedene Metallisierungen 1 auf einem Keramiksubstrat 4 gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 2 sind als Leiterbahnen ausgebildete Metallisierungen und mit dem Bezugszeichen 3 sind elektrische Kontaktierungspunkte bezeichnet. 5 zeigt ein dreidimensionales Keramiksubstrat 4 mit einer Metallisierung 1, die im Keramiksubstrat 4 eingebettet ist und nicht aus der Oberfläche herausragt.
  • Durch, dass die Metallisierung eingebettet ist, können auch mehrere Substrate, jede mit eingebetteten metallische Strukturen, übereinander gestapelt werden, ohne dass die Metallisierung von dem darüberliegenden Substrat geschädigt wird. Dies zeigt 6. Es sind hier zwei Keramiksubstrate 4a, 4b als Platinen ausgebildet und zu einer Einheit zusammengesetzt. Auf jedem Keramiksubstrat sind Metallisierungen 1 eingebettet und ragen nicht aus der Oberfläche hervor. Die einzelnen Metallisierungen 1 bilden Leiterbahnen und elektrische Kontaktierungspunkte. In 6 sind zwei dreidimensionale Keramiksubstrate 4a, 4b mit eingebetteten Metallisierungen 1 gezeigt.
  • Selbstverständlich können die Metallisierungen auf beiden Seite eines Substrats eingebracht werden.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, insbesondere zur Verwendung als Platine, dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen eingegraben werden und anschließend in den Gräben und/oder Ausnehmungen die metallischen Strukturen erzeugt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gkennzeichnet, dass das Substrat eine von der ebenen Platte abweichende, d. h. dreidimensional gekrümmte oder eckige Geometrie aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Keramiksubstrat oder ein Kunststoffsubstrat ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat aus einer AlN-Keramik besteht und nach dem Eingraben in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem Laser durch Zersetzung Al erzeugt wird, das dann mit bekannten Verfahren wie stromlos Nickel, Gold oder Kupfer und deren Legierungen oder einer Mischung dieser weiter verstärkt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat nach dem Eingraben in eine organische Metallsalzlösung, wie z.B. Silberacetat oder Kupferacetat getaucht wird und anschließend die Metallsalze in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem geeigneten Laser belichtet werden, wobei sich die Metallsalze zu Elementen umwandeln, die sich mit der Keramik haftfest verbinden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Metallsalzen ein Oxid oder glasbildende Additive wie Zinkacetat oder Silicone zugegeben werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Eingraben die Gräben und/oder Ausnehmungen mit einer Dickfilmpaste aus einem Metall gefüllt werden und anschließend mit einem geeigneten Laser direkt in der Laserspur, d. h. in den Gräben und/oder Ausnehmungen gesintert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht belichteten Stellen außerhalb der Gräben und/oder Ausnehmungen oder in Teilbereichen der Gräben und/oder Ausnehmungen abgewaschen oder abgeschliffen werden.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungen in den Gräben und/oder Ausnehmungen stromlos oder kathodisch verstärkt und/oder mit Deckmetallen überzogen werden.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Gräben und/oder Ausnehmungen erzeugten Metallisierungen mit der Oberfläche der Substrate auf einer Ebene abschließen und nicht aus dem Substrat hervorragen und damit stapelbar sind.
  11. Substrat mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen eine in Bezug auf die Oberfläche der Substrate gemessene vertikale Dicke von größer 30 µm aufweisen.
  12. Substrat nach Anspruch 11 mit einer vertikalen Dicke größer 40 µm.
  13. Substrat nach Anspruch 11 oder 12 mit einer vertikalen Dicke größer 45 µm, bevorzugt 50 µm.
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