DE102018131605A1

DE102018131605A1 - Substrat und Verfahren zur Herstellung des Substrats

Info

Publication number: DE102018131605A1
Application number: DE102018131605.4A
Authority: DE
Inventors: Nele REIMER; Manfred Schweinzger
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2020-06-10
Also published as: JP2023078439A; JP7307171B2; WO2020120289A1; US11958271B2; US20220024188A1; EP3894221A1; US20240157683A1; JP2022512336A; CN113195221B; CN113195221A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats angegeben, in dem ein Grünfolienstapel (10) gebildet wird, der erste Grünfolien (1) und zweite Grünfolien (2), die jeweils als Hauptbestandteil ein Keramikmaterial enthalten, umfasst, wobei die zweiten Grünfolien (2) zusätzlich zum Keramikmaterial noch ein Sinterhilfsmittel enthalten. Weiterhin wird ein Substrat (20) bereitgestellt, das mittels des Verfahrens hergestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats, das einen keramischen Grundkörper umfasst und ein Substrat das mittels des Verfahrens hergestellt wird.
Substrate sind weitverbreitete Komponenten in der industriellen Fertigung, um mikroelektronische Bauteile, wie integrierte Schaltkreise und Leistungshalbleiter, wie LED's, darauf anzuordnen und zu kontaktieren. Die so verbauten mikroelektronischen Bauteile und Leistungshalbleiter können anschließend auf einfache Weise in weitere elektronische Bauteile oder Schaltkreise integriert werden.
Aufgrund stetig steigender Anforderungen bezüglich der Miniaturisierung und Leistungsfähigkeit der weiteren elektronischen Bauteile ist es notwendig, die Anzahl der mikroelektronischen Bauteile und Leistungshalbleiter, die auf einer gegebenen Fläche eines Substrats verbaut werden können, zu erhöhen. Daraus resultieren steigende Anforderungen an das Substrat. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden herkömmlicherweise Vielschichtsubstrate, die einen keramischen Grundkörper in Vielschichtbauweise umfassen, verwendet. Diese Vielschichtsubstrate erlauben es, beispielsweise Umverdrahtungen in den keramischen Grundkörper zu integrieren.
Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an die Vielschichtsubstrate erhöhen sich gleichzeitig auch die Anforderungen an die Verfahren zur Herstellung solcher Vielschichtsubstrate.
Verfahren zur Herstellung von keramischen Vielschichtsubstraten umfassen üblicherweise die Bildung eines Grünfolienstapels durch Stapeln einer Vielzahl von Grünfolien. Anschließend wird der Grünfolienstapel verpresst und entkohlt. Durch nachfolgendes Sintern des verpressten und entkohlten Grünfolienstapels wird der keramische Grundkörper des Vielschichtsubstrats erzeugt.
Um den stetig steigenden Anforderungen an diese Verfahren zu genügen, ist es insbesondere wichtig, einen Sinterschwund, der beim Sintern des Grünfolienstapels auftritt, zu beachten. So kann ein großer Sinterschwund Spannungen in dem keramischen Grundkörper erzeugen, die zu einer Rissbildung in dem keramischen Grundkörper führen können. Weiterhin muss auch bei der Ausgestaltung der integrierten Umverdrahtungen der Sinterschwund beachtet werden, da eine Nichtbeachtung des Sinterschwund zu teilweise unbrauchbaren integrierten Umverdrahtungen in dem keramischen Grundkörper führen kann. Der Sinterschwund kann bei dem keramischen Grundkörper in allen drei Raumrichtungen auftreten.
Als Raumrichtungen sollen hier und im Folgenden Richtungen verstanden werden, die durch die drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems vorgegeben werden. Nach üblicher Konvention umfasst das kartesische Koordinatensystem eine x-Achse, eine y-Achse und eine z-Achse, die jeweils eine Raumrichtung vorgeben.
Weiterhin soll als Sinterschwund hier und im Folgenden eine Differenz von Kantenlängen von einer oder mehreren Kanten einer Grünfolie oder eines gepressten Grünfolienstapels jeweils vor und nach dem Sintern verstanden werden. Mit anderen Worten, mindestens eine Kante der Grünfolie oder des Grünfolienstapels ist vor dem Sintern länger als nach dem Sintern.
Zur Bestimmung des Sinterschwunds werden die Kantenlängen vor und nach dem Sintern gemessen und, bezogen auf die Kantenlängen vor dem Sintern, die prozentuale Abweichung ermittelt. Beispielsweise kann eine Kantenlänge vor dem Sintern 20 mm und nach den Sintern 18 mm betragen. Daraus folgt eine Differenz von 2 mm, was einen Sinterschwund von 10 % ergibt. Als ein großer Sinterschwund soll hier und im Folgenden ein Wert von mehr als 17 % angesehen werden. Mit anderen Worten, ein Sinterschwund von 17 % oder weniger soll hier und im Folgenden als ein geringer Sinterschwund angesehen werden.
Es muss beachtet werden, dass der Sinterschwund nicht zwangsläufig gleichmäßig in allen drei Raumrichtungen auftreten muss. So kann beispielsweise der Sinterschwund einer Kante, die in einer Raumrichtung verläuft, verschieden von dem Sinterschwund einer weiteren Kante sein, die in einer der anderen beiden Raumrichtungen verläuft.
Je größer der Sinterschwund ist, desto größer ist die Gefahr, dass in dem gesinterten Grünfolienstapel Spannungen auftreten, die zu Rissbildungen in dem keramischen Grundkörper führen. Weiterhin können die integrierten Umverdrahtungen nach dem Sintern zumindest teilweise unbrauchbar werden, da sich selbige durch eine den Sinterschwund erzeugende Kontraktion des Grünfolienstapels verformen oder komplett reißen.
Um die Anzahl an unbrauchbaren integrierten Umverdrahtungen zu verringern, werden herkömmlicherweise für das Bilden eines keramischen Grundkörpers mit integrierten Umverdrahtungen Grünfolien verwendet, die als Hauptbestandteil ein Keramikmaterial und zusätzlich ein Sinterhilfsmittel enthalten. Ferner wird für das Aufbringen der integrierten Umverdrahtungen eine Metallpaste verwendet, die einen bestimmten Anteil des Keramikmaterials und des Sinterhilfsmittels enthält. Dadurch wird erreicht, dass die integrierten Umverdrahtungen zumindest annähernd ein thermisches Längenänderungsverhalten aufweisen ähnlich wie der Grünfolienstapel. Dadurch wird der Anteil an unbrauchbaren integrierten Umverdrahtungen in dem keramischen Grundkörper verringert.
Nichtsdestotrotz tritt bei so hergestellten Grünfolienstapeln ein großer Sinterschwund auf, wodurch weiterhin eine erhebliche Gefahr für das Auftreten von unbrauchbaren integrierten Umverdrahtungen und Rissen in den keramischen Grundkörper besteht.
Neben dem Sinterschwund muss auch die Zusammensetzung des keramischen Grundkörpers beachtet werden. So können Sinterhilfsmittel, die sich durch das Sintern an Oberflächen des keramischen Grundkörpers anreichern, dazu führen, dass Bauteile, die solch einen keramischen Grundkörper umfassen, nicht mehr zuverlässig arbeiten.
Aus der EP 3 375 767 A1 ist deshalb ein Verfahren bekannt bei dem die Sinterhilfsmittel, die sich durch das Sintern an Oberflächen des keramischen Grundkörpers angereichert haben, durch mechanische Bearbeitung oder Ätzen ganz oder teilweise entfernt werden. Dadurch wird ermöglicht, dass Bauteile, die einen nach dem vorher genannten Verfahren hergestellten keramischen Grundkörper umfassen, zuverlässig arbeiten.
Da aber bei dem in der EP 3 375 7676 A1 genannten Verfahren ein zusätzlicher Arbeitsschritt nach dem Sintern nötig ist, wird die Herstellung von keramischen Grundkörpern aufwändiger und kostenintensiver. Weiterhin birgt eine nachträgliche Bearbeitung des keramischen Grundkörpers immer die Gefahr, dass der keramische Grundkörper durch die nachträgliche Bearbeitung beschädigt und somit unbrauchbar wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher das Bereitstellen eines Verfahrens zur Herstellung eines Substrats, das ein zuverlässiges Arbeiten von Bauteilen, die das Substrat umfassen, gewährleistet, wobei das Verfahren das Bilden eines Grünfolienstapels umfasst, bei dem ein geringer Sinterschwund auftritt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Substrat bereitzustellen, das mittels des Verfahrens hergestellt wird.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des Verfahrens und ein Substrat, das mittels des Verfahrens hergestellt wird, sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats angegeben, in dem ein Grünfolienstapel gebildet wird, der erste Grünfolien und zweite Grünfolien, die jeweils als Hauptkomponente ein Keramikmaterial enthalten, umfasst, wobei die zweiten Grünfolien zusätzlich Sinterhilfsmittel enthalten. Bei diesem Verfahren tritt bei den zweiten Grünfolien ein größerer Sinterschwund auf als bei den ersten Grünfolien.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Substrat bereitzustellen, das mittels des Verfahrens hergestellt wird. Das Substrat umfasst einen keramischen Grundkörper, der erste Volumenbereiche und zweite Volumenbereiche aufweist, die jeweils ein Keramikmaterial enthalten, wobei die ersten Volumenbereiche Sinterhilfsmittel in geringerer Konzentration enthalten, als die zweiten Volumenbereiche.
Der keramische Grundkörper wird durch Sintern eines Grünfolienstapels, der nach dem vorhergenannten Verfahren gebildet wird, hergestellt.
Die Volumenbereiche mit unterschiedlicher Konzentration an Sinterhilfsmitteln entstehen dadurch, dass bei dem Verfahren zur Herstellung des Substrats zweite Grünfolien mit Sinterhilfsmitteln und erste Grünfolien ohne Sinterhilfsmittel gestapelt werden. Durch das Sintern diffundiert das Sinterhilfsmittel teilweise von den zweiten Grünfolien in die ersten Grünfolien. Dadurch weisen Volumenbereiche des keramischen Grundkörpers, die ursprünglich durch erste Grünfolien gebildet wurden, ebenfalls eine gewisse Menge an Sinterhilfsmittel auf, wenn auch in geringerer Konzentration als die Volumenbereiche, die ursprünglich durch zweite Grünfolien gebildet wurden.
Das Verfahren kann einen Schritt umfassen, bei dem der Grünfolienstapel derart gebildet wird, dass Abschlusslagen des Grünfolienstapels jeweils aus mindestens einer ersten Grünfolie bestehen.
Als Abschlusslagen sollen hier und im Folgenden Grünfolien bezeichnet werden, die in einem Grünfolienstapel am weitesten von einer gedachten Mittelebene beabstandet sind. Die gedachte Mittelebene verläuft parallel zu den Grünfolien und mittig durch den Grünfolienstapel. Üblicherweise weist der Grünfolienstapel zwei Abschlusslagen auf, wobei die gedachte Mittelebene den Grünfolienstapel in zwei gedachte Hälften aufteilt und sich jeweils eine Abschlusslage in einer der beiden gedachten Hälften befindet. Die Abschlusslagen können jeweils eine oder mehrere Grünfolien umfassen.
Ferner kann das Verfahren die Bildung eines Grünfolienstapels umfassen, bei dem eine oder mehrere Grünfolien zwischen zwei zweiten Grünfolien ausgebildet sind. Insbesondere können die ersten und zweiten Grünfolien des Grünfolienstapels eine alternierende Stapelfolge aufweisen.
Durch das Bilden des Grünfolienstapels mittels der ersten und der zweiten Grünfolien, kann der Sinterschwund signifikant verringert werden. Die Erfinder gehen davon aus, dass dieser Effekt darauf beruht, dass die ersten Grünfolien, bei denen ein geringerer Sinterschwund auftritt als bei den zweiten Grünfolien, eine Gegenkraft auf die zweiten Grünfolien ausüben. Diese Gegenkraft steht einer Kraft, die zu dem größeren Sinterschwund der zweiten Grünfolien führt, entgegen. Dadurch kann der Sinterschwund des gesamten Grünfolienstapels nicht in einem Maße auftreten, in dem er ohne die ersten Grünfolien auftreten würde. Durch Variationen in der Stapelfolge der ersten und zweiten Grünfolien lässt sich der Sinterschwund in einem gewissen Bereich beliebig einstellen.
Weiterhin kann das Verfahren derart durchgeführt werden, dass bei dem Grünfolienstapel nach dem Sintern ein Sinterschwund in mindestens zwei von drei Raumrichtungen auftritt, der je Raumrichtung weniger als 16 % ist. Bevorzugt kann das Verfahren derart durchgeführt werden, dass bei dem Grünfolienstapel nach dem Sintern ein Sinterschwund in mindestens zwei von drei Raumrichtungen auftritt, der je Raumrichtung weniger als 14 % ist. Dieser Sinterschwund ist signifikant geringer als der auftretende Sinterschwund bei herkömmlichen Verfahren. Solch ein geringer Sinterschwund wird erreicht, indem ein Grünfolienstapel gebildet wird, der zwei Abschlusslagen aufweist, die jeweils wenigstens eine erste Grünfolie umfassen. Bevorzugt weist der Grünfolienstapel zwei Abschlusslagen auf, die jeweils mindestens zwei erste Grünfolien umfassen.
Ferner kann bei dem Verfahren als Hauptkomponente für die ersten und zweiten Grünfolien ein Keramikmaterial aus einer Gruppe, umfassend AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, BN, SiC, BeO, zirconia toughened alumina (ZTA), ausgewählt werden. Bevorzugt kann AlN als Hauptkomponente verwendet werden, da dieses eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dadurch ist es möglich insbesondere Powerleitungen zu Leistungshalbleitern in das Substrat zu integrieren. Dies ermöglicht es Substrate kompakter zu konzipieren und dadurch den Anforderungen an eine weitere Miniaturisierung solcher Bauteile zu genügen.
Weiterhin kann bei dem Verfahren ein Mengenanteil a an Sinterhilfsmitteln, der in den zweiten Grünfolien enthalten ist, derart gewählt sein, dass bezogen auf 100 wt% des Keramikmaterials gilt:
2 wt% ≤ a ≤ 10 wt%.
Weiterhin können für das Verfahren Sinterhilfsmittel ausgewählt werden, die aus einer Gruppe umfassend Metalloxide und Metallhalogenide ausgewählt sind. Insbesondere können die Sinterhilfsmittel aus einer Gruppe umfassend Y₂O₃, CaO, CaF₂, YF₃ und Seltenerdoxide ausgewählt werden.
Des Weiteren kann bei dem Verfahren das Sintern des Grünfolienstapels bei einer Temperatur erfolgen, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 1600 °C bis 2000 °C. Vorzugsweise kann das Sintern bei einer Temperatur erfolgen, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 1800 °C bis 1850 °C. Besonders bevorzugt kann das Sintern bei einer Temperatur erfolgen, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 1810 °C bis 1840 °C.
Ferner kann bei dem Verfahren der Grünfolienstapel mit einer Haltezeit gesintert werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 2 Stunden bis 10 Stunden, vorzugsweise aus einem Bereich von 4 Stunden bis 6 Stunden. Besonders bevorzugt kann das Sintern mit einer Haltezeit von 4 Stunden erfolgen.
Wird der Grünfolienstapel bei einer Temperatur und Haltezeit gesintert, die in den angegeben Bereichen liegen, kann der Grünfolienstapel, den Anforderungen entsprechend, dicht gesintert werden ohne, dass dabei ein großer Sinterschwund auftritt.
Weiterhin kann das Sintern des Grünfolienstapels in einer reduzierenden Atmosphäre erfolgen. Eine reduzierende Atmosphäre ist eine Atmosphäre, in der eine Sauerstoffkonzentration so gering ist, dass keine Oxidation der Bestandteile des Grünkörpers, inklusive eventuell vorhandener integrierter Umverdrahtungen, während des Sinterns erfolgen kann. Eine reduzierende Atmosphäre ist beispielswiese eine Atmosphäre, die hauptsächlich eine Mischung aus N₂/H₂ enthält. Das Mischungsverhältnis der beiden Gase ist dabei auf keine bestimmten Werte beschränkt.
Auch kann das Sintern unter atmosphärischem oder reduziertem Druck erfolgen. Unter reduziertem Druck ist ein Druck zu verstehen, der niedriger ist als der atmosphärische Druck. Ferner kann das Sintern auch im Vakuum oder Hochvakuum erfolgen. Unter Hochvakuum versteht man ein Vakuum, das einen Restdruck von 10^-3 bis 10^-7 mbar aufweist.
Bezugnehmend auf die vorhergenannten Ausführungen kann das Verfahren folgende Schritte umfassen:

- Bereitstellen eines Keramikmaterials,
- Bereitstellen von Sinterhilfsmitteln,
- Herstellen von ersten Grünfolien, die das Keramikmaterial enthalten,
- Herstellen von zweiten Grünfolien, die das Keramikmaterial und das Sinterhilfsmittel enthalten,
- Aufbringen von Umverdrahtungen auf die ersten Grünfolien und die zweiten Grünfolien,
- Stapeln der ersten und zweiten Grünfolien um einen Grünfolienstapel zu bilden,
- Pressen des Grünfolienstapels, um einen gepressten Grünfolienstapel zu erhalten,
- Entkohlen des gepressten Grünfolienstapels um einen gepressten und entkohlten Grünfolienstapel zu erhalten,
- Sintern des gepressten und entkohlten Grünfolienstapels, um einen keramischen Grundkörper für ein Substrat zu erhalten.

Die ersten und zweiten Volumenbereiche des keramischen Grundkörpers können eine Schichtstruktur bilden. Diese Schichtstruktur wird durch die Stapelfolge der ursprünglichen ersten und zweiten Grünfolien bedingt.
Weiterhin kann der keramische Grundkörper eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich von 300 µm bis 400 µm liegt. Bevorzugt weist der keramische Grundkörper eine Dicke von 360 µm auf.
Wenn die Dicke des keramischen Grundkörpers in dem obengenannten Bereich liegt, dann kann der keramische Grundkörper eine Biegebruchfestigkeit von mindestens 450 MPa aufweisen. Bevorzugt kann der keramische Grundkörper eine Biegebruchfestigkeit von mindestens 500 MPa aufweisen. Die angegebene Biegebruchfestigkeit kann mittels eines herkömmlichen Dreipunktverfahrens bestimmt werden. Eine Biegebruchfestigkeit von mindestens 450 MPa liegt in einem Bereich von Bruchfestigkeiten, die üblicherweise hochfeste Substrate aufweisen, die mittels herkömmlicher Verfahren hergestellt werden. Dadurch weist das angegebene Substrat neben einem geringen Sinterschwund auch eine hohe Robustheit auf.
Des Weiteren kann der keramische Grundkörper integrierte Umverdrahtungen und/oder Vias aufweisen. Durch die Vias ist eine beidseitige Bestückung des Substrats mit Bauelementen möglich. Weiterhin erlauben die integrierten Umverdrahtungen eine Bestückung des Substrats mit einer Vielzahl von Bauelementen auf einer gegebenen Fläche des Substrats, wodurch ein Bauteil, dass das Substrat mit den Bauelementen umfasst, kompakter konstruiert werden kann und/oder eine höhere Leistung aufweist. Zur Montage der Bauteile sind auf Außenflächen des keramischen Grundkörpers Kontaktflächen angeordnet. Die Kontaktflächen sind mit den integrierten Umverdrahtungen und/oder Vias elektrisch leitend verbunden.
Ferner können die Umverdrahtungen aus einem Wolfram umfassenden Material ausgebildet sein. Die Verwendung von Wolfram als ein Bestandteil für die integrierte Umverdrahtung ist von Vorteil, da dieses bei den angegebenen Sintertemperaturen nicht flüssig wird und/oder verdampft. Dadurch kommt es zu keinen signifikanten Veränderungen der integrierten Umverdrahtungen durch das Sintern, wodurch die Gefahr von unbrauchbaren integrierten Umverdrahtungen verringert wird.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats anhand von schematischen Darstellungen eines gepressten Grünfolienstapels, möglichen Stapelabfolgen von ersten und zweiten Grünfolien in dem Grünfolienstapel und eines Substrats näher beschrieben. Ferner wird eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (REM-Aufnahme) eines Querschnitts durch einen keramischen Grundkörper gezeigt.

1 zeigt einen gepressten Grünfolienstapel.
2 zeigt im Querschnitt eine erste Stapelabfolge eines Grünfolienstapels.
3 zeigt im Querschnitt eine zweite Stapelabfolge eines Grünfolienstapels.
4 zeigt im Querschnitt eine dritte Stapelabfolge eines Grünfolienstapels.
5 zeigt im Querschnitt ein Substrat
6 zeigt eine REM-Aufnahme eines Ausschnitts eines Querschnitts eines keramischen Grundkörpers.

Gleiche Elemente, ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
1 zeigt einen gepressten Grünfolienstapel 10. Der gepresste Grünfolienstapel 10 umfasst erste und zweite Grünfolien (nicht dargestellt). Die räumliche Ausdehnung des gepressten Grünfolienstapels 10 wird durch Bemaßungspfeile x, y und z veranschaulicht. Da die Bemaßungspfeile x, y und z jeweils parallel zu einer gleichnamigen Achse in einem kartesischen Koordinatensystem verlaufen, werden die Bemaßungspfeile hier und im Folgenden auch als die entsprechende Achse des Koordinatensystems bezeichnet. Mit anderen Worten, der Bemaßungspfeil x entspricht einer x-Achse, der Bemaßungspfeil y entspricht einer y-Achse und der Bemaßungspfeil z entspricht einer z-Achse in einem kartesischen Koordinatensystem. Da die folgenden Figuren mögliche Stapelabfolgen von ersten und zweiten Grünfolien (nicht dargestellt) des gepressten Grünfolienstapels 10 zeigen, wird die Bezeichnung der Achsen in den folgenden Figuren für alle Stapelabfolgen analog angewendet.
2 zeigt im Querschnitt eine erste Stapelabfolge von ersten Grünfolien 1 und zweiten Grünfolien 2, um den gepressten Grünfolienstapel 10 mit insgesamt vierzehn Grünfolien zu bilden. Der gepresste Grünfolienstapel 10 weist zwei Abschlusslagen 3, die jeweils eine erste Grünfolie 1 enthalten, auf. Alle übrigen Lagen des gepressten Günfolienstapels 10 bestehen aus zweiten Grünfolien 2. Der Querschnitt verläuft in einer Ebene durch den gepressten Grünfolienstapel 10, die parallel zu einer Ebene verläuft, die durch die x-Achse und die z-Achse aufgespannt wird. Die ersten Grünfolien 1 enthalten ein Keramikmaterial, das als Hauptbestandteil AlN enthält. Die zweiten Grünfolien 2 enthalten ein Keramikmaterial, das als Hauptbestandteil AlN und, bezogen auf 100 wt% AlN, zusätzlich 3,4 wt% Y₂O₃ als Sinterhilfsmittel enthält. Durch Stapeln der ersten Grünfolien 1 und zweiten Grünfolien 2 wird ein Grünfolienstapel (nicht dargestellt) gebildet. Dieser wird gepresst um den gepressten Grünfolienstapel 10 zu erhalten. Anschließend wird der gepresste Grünfolienstapel 10 zuerst bei 600 °C an Luft entkohlt und dann bei 1810°C für 4 Stunden in einer hauptsächlich N₂/H₂ enthaltenden Atmosphäre unter Atmosphärendruck gesintert, um einen ersten keramischen Grundkörper zu erhalten (nicht dargestellt), der auf dem gepressten Grünfolienstapel 10, der die erste Stapelabfolge aufweist, basiert.
Der erste keramische Grundkörper (nicht dargestellt) weist eine Dicke von ca. 360 µm auf. Ferner weist der erste keramische Grünkörper bezogen auf den gepressten Grünfolienstapel 10 entlang seiner x-Achse einen Schwund von 15,9 % und entlang seiner y-Achse einen Schwund von 15,8 % auf. Dieser Sinterschwund ist signifikant geringer als ein Sinterschwund, der bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von vergleichbaren keramischen Grundkörpern auftritt.
Weiterhin weist der erste keramische Grundkörper (nicht dargestellt), eine Biegebruchfestigkeit von 495 MPa auf.
Dieser Wert ist signifikant höher als der Wert, der für keramische Grundkörper mit ähnlicher Dicke, die mittels herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, erreicht wird.
3 zeigt im Querschnitt eine zweite Stapelabfolge von ersten Grünfolien 1 und zweiten Grünfolien 2, um den gepressten Grünfolienstapel 10 mit insgesamt vierzehn Grünfolien zu bilden. Der Querschnitt verläuft in einer Ebene durch den gepressten Grünfolienstapel 10, die parallel zu einer Ebene verläuft, die durch die x-Achse und die z-Achse aufgespannt wird. Aufgrund der zweiten Stapelabfolge weist der gepresste Grünfolienstapel 10 Abschlusslagen 3 auf, die jeweils aus zwei ersten Grünfolien 1 bestehen. Weiterhin bestehen alle übrigen Lagen des gepressten Grünfolienstapels aus zweiten Grünfolien 2.
Die Zusammensetzung der ersten Grünfolien 1 und der zweiten Grünfolien 2 ist gleich der Zusammensetzung der ersten Grünfolien 1 und zweiten Grünfolien 1, wie sie in 2 beschrieben wird. Das Verfahren zur Herstellung eines zweiten keramischen Grundkörpers (nicht dargestellt), der auf einen Grünfolienstapel 10 aufweisend die zweite Stapelabfolge basiert, ist analog zu dem Verfahren welches in 2 beschrieben wird.
Der zweite keramische Grundkörper (nicht dargestellt) weist eine Dicke von ca. 360 µm auf. Der zweite keramische Grundkörper (nicht dargestellt) weist bezogen auf den gepressten Grünfolienstapel 10, der die zweite Stapelabfolge aufweist, einen Sinterschwund von 13,7 % entlang seiner x-Achse und 13,8 % entlang seiner y-Achse auf. Dies zeigt, dass eine Ausgestaltung der Abschlusslagen 3 mittels zwei ersten Grünfolien 1 zu einer weiteren Verringerung des Sinterschwunds führt.
Weiterhin weist der zweite keramische Grundkörper (nicht dargestellt) eine Biegebruchfestigkeit von 516 MPa auf. Dieser Wert ist nochmals höher als der Wert für den in 2 beschriebenen ersten keramischen Grundkörper (nicht dargestellt). Durch diesen hohen Wert der Biegebruchspannung können höchste Anforderungen an die Robustheit des keramischen Grundkörpers erfüllt werden.
4 zeigt im Querschnitt eine dritte Stapelabfolge von ersten Grünfolien 1 und zweiten Grünfolien 2, um den gepressten Grünfolienstapel 10 mit insgesamt vierzehn Grünfolien zu bilden. Der Querschnitt verläuft in einer Ebene durch den Grünfolienstapel 10, die parallel zu einer Ebene verläuft, die durch die x-Achse und die z-Achse aufgespannt wird. Aufgrund der dritten Stapelabfolge weist der gepresste Grünfolienstapel 10 zwei Abschlusslagen 3 auf, die jeweils aus einer ersten Grünfolie 1 bestehen. Weiterhin weist der Grünfolienstapel 10, der die dritte Stapelabfolge aufweist, erste Grünfolien 1 auf, die zwischen zwei zweiten Grünfolien 2 ausgebildet sind. Zwischen den ersten Grünfolien 1, die die Abschlusslagen 3 bilden und den ersten Grünfolien 1, die zwischen den zwei zweiten Grünfolien 2 ausgebildet sind, sind jeweils drei übereinander gestapelte zweite Grünfolien 2 angeordnet. Weiterhin sind die ersten Grünfolien 1, die zwischen zwei zweiten Grünfolien 2 ausgebildet sind, durch vier übereinander gestapelte zweite Grünfolien 2 voneinander getrennt. Eine solche Stapelfolge ermöglicht es den Sinterschwund gezielt zu beeinflussen.
Die Zusammensetzung der ersten Grünfolien 1 und der zweiten Grünfolien 2 ist gleich der Zusammensetzung der ersten Grünfolien 1 und zweiten Grünfolien 1, wie sie in 2 beschrieben wird. Das Verfahren zur Herstellung eines dritten keramischen Grundköpers (nicht dargestellt), der auf einen Grünfolienstapel 10 aufweisend die dritte Stapelabfolge basiert, ist analog zu dem Verfahren welches in 2 beschrieben wird.
5 zeigt im Querschnitt ein Substrat 20, das einen keramischen Grundkörper 21 umfasst. Der keramische Grundkörper 21 basiert auf einem Grünfolienstapel, der eine zweite Stapelabfolge aufweist. Die Zusammensetzungen der ersten und zweiten Grünfolien ist gleich der in 2 beschrieben Zusammensetzungen. Auch die Temperatur zum Sintern und die Haltezeit sind gleich der in 2 genannten Temperatur und Haltezeit.
Der keramische Grundkörper 21 weist erste Volumenbereiche 4 und zweite Volumenbereiche 5 auf. Die ersten Volumenbereiche 4 weisen eine geringere Konzentration an Sinterhilfsmitteln auf als die zweiten Volumenbereiche 5. Weiterhin weist das Substrat integrierte Umverdrahtungen 6 und Vias 7 auf. Durch die Vias 7 kann das Substrat über Kontaktflächen 8 beidseitig mit Bauteilen bestückt werden. Ferner können durch die integrierten Umverdrahtungen 6 über die Kontaktflächen 8 mehr Bauteile auf eine gegebene Fläche des Substrats 20 verbaut werden als ohne die intergierten Umverdrahtungen 6. Dadurch kann eine weitere Miniaturisierung ermöglicht werden.
6 zeigt in einer REM-Aufnahme einen Ausschnitt eines Querschnitts durch einen keramischen Grundkörper 21, der auf einem Grünfolienstapel aufweisend die zweite Stapelabfolge basiert. Die hellen Punkte in der REM-Aufnahme stellen eine Sekundärphase dar, die durch das Sinterhilfsmittel erzeugt wird. Deutlich ist zu sehen, dass die zweiten Volumenbereiche 5, die ursprünglich von zweiten Grünfolien gebildet wurden, eine größere Anzahl an Sekundärphase aufweisen als die ersten Volumenbereiche 4, die ursprünglich durch die ersten Grünfolien gebildet wurden. Dass die ersten Volumenbereiche 4 nicht gänzlich frei von Sekundärphasen sind beruht auf einer, durch Sintern initiierte, Diffusion der Sinterhilfsmittel von den zweiten Grünfolien in die ersten Grünfolien.
Nichtsdestotrotz weisen die ersten Volumenbereiche 4, signifikant weniger Sekundärphasen auf. Da diese Sekundärphasen bevorzugt an Oberflächen auskristallisieren, wird die Rauigkeit dieser Oberflächen stark erhöht. Durch die Verwendung von Abschlusslagen, die aus ersten Grünfolien bestehen, kann die Rauigkeit der Oberfläche stark verringert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere kann die Gesamtanzahl an Grünfolien des Grünfolienstapels und die Stapelabfolge der ersten und zweiten Grünfolien variieren.
Bezugszeichenliste

1: erste Grünfolie
2: zweite Grünfolie
3: Abschlusslage
4: erster Volumenbereich
5: zweiter Volumenbereich
6: integrierte Umverdrahtung
7: Via
8: Kontaktfläche
10: Grünfolienstapel
20: Substrat
21: keramischer Grundkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3375767 A1 [0015]
EP 33757676 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Substrats, bei dem ein Grünfolienstapel (10) gebildet wird, der erste Grünfolien (1) und zweite Grünfolien (2), die jeweils als Hauptkomponente ein Keramikmaterial enthalten, umfasst, wobei die zweiten Grünfolien(2) zusätzlich zum Keramikmaterial noch ein Sinterhilfsmittel enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Grünfolienstapel (10) derart gebildet wird, dass Abschlusslagen (3) des Grünfolienstapels (10) gebildet werden, die jeweils aus mindestens einer ersten Grünfolie (1) bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grünfolienstapel (10) derart gebildet wird, dass dieser eine oder mehrere erste Grünfolien (1) aufweist, die zwischen zwei zweiten Grünfolien (2) angeordnet ist/sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Grünfolienstapel (10) derart gebildet wird, dass er eine alternierende Stapelfolge von ersten und zweiten Grünfolien (1,2) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Grünfolienstapel (10) zwei Abschlusslagen (3) gebildet werden, die jeweils wenigstens eine erste Grünfolie (1) umfassen, und der Grünfolienstapel (10) nach dem Sintern einen Sinterschwund in mindestens zwei von drei Raumrichtungen aufweist, der je Raumrichtung weniger als 16 % ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Hauptbestandteil des Keramikmaterials für die ersten und zweiten Grünfolien aus einer Gruppe ausgewählt wird, umfassend AlN, Al₂O₃, Si₃N₄, BN, SiC, BeO, ZTA.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Mengenanteil a an Sinterhilfsmitteln, der in den zweiten Grünfolien (2) enthalten ist, derart gewählt wird, dass bezogen auf 100 wt% des Keramikmaterials gilt: 2 wt% ≤ a ≤ 10 wt%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Sinterhilfsmittel ausgewählt werden aus einer Gruppe, umfassend Metalloxide und Metallhalogenide.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Sinterhilfsmittel ausgewählt werden aus einer Gruppe, umfassend Y₂O₃, CaO, CaF₂, YF₃ und Seltenerdoxide.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Grünfolienstapel (10) bei einer Temperatur gesintert wird, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 1600°C bis 2000°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Grünfolienstapel (10) mit einer Haltezeit gesintert wird, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 2 h bis 10 h.
Substrat (20), umfassend einen keramischen Grundkörper (21), der erste Volumenbereiche (4) und zweite Volumenbereiche (5) aufweist, die jeweils ein Keramikmaterial enthalten, wobei die ersten Volumenbereiche (4) weniger Sinterhilfsmittel enthalten als die zweiten Volumenbereiche (5).
Substrat nach Anspruch 12, wobei die ersten Volumenbereiche (4) und die zweiten Volumenbereiche (5) des keramischen Grundkörpers eine Schichtstruktur bilden.
Substrat nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der keramische Grundkörper (21) eine Dicke aufweist, die in einem Bereich von 300 µm bis 400 µm liegt und eine Biegebruchfestigkeit von mindestens 450 MPa aufweist.
Substrat nach einem der Ansprüche 12 bis 14 wobei der keramische Grundkörper (21) Kontaktflächen (8), um Bauteile auf dem Substrat zu verbauen, und/oder integrierte Umverdrahtungen (6), und/oder Vias (7) aufweist.
Substrat nach Anspruch 15, wobei die inneren Umverdrahtungen (6) aus einem Wolfram umfassenden Material ausgebildet sind.