DE102020103487A1 - Hybrides Verdrahtungssubstrat und Herstellung desselben - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundsubstrat bestehend aus einer Mehrlagen-Niedertemperaturkeramik (LTCC) und Glas, welche im thermischen Ausdehnungsverhalten aneinander angepasst sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Kombination folgender Verfahrensschritte aus: -Bereitstellen einer Schicht bestehend aus noch nicht gesinterten Niedertemperaturkeramikfolien, -Bereitstellen eines im thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Niedertemperaturkeramik angepassten Glases, -optionales Einbringen von Öffnungen im Glas und gegebenenfalls Füllung der Öffnungen mit einer Metallisierung, - Ausrichten und Verbinden der Oberfläche der Niedertemperaturkeramikschicht mit dem Glas über Lamination, wobei die Oberfläche der Niedertemperaturkeramikfolienschicht mit einer Oberfläche des Glases zum überwiegenden Teil überdeckend zusammengeführt wird, - Tempern der verbundenen Schichten, derart, dass die organischen Bestandteile des Niedertemperaturkeramikschicht ausgebrannt werden, die Niedertemperaturkeramikschicht sintert und dabei mit dem Glas eine feste Verbindung eingeht. Derartige Verbundsubstrate können beispielsweise für die Kontaktierung mikroelektronischer Bauelemente oder als Mikrofluidikträger eingesetzt werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundsubstrat und ein Verfahren zur Erzeugung eines hochtemperaturtauglichen planaren Verbundsubstrats wie es beispielsweise als Schaltungsträger für die Kontaktierung mikroelektronischer Bauelemente oder als Träger für mikrofluidische, mikromechanische und optoelektronische Strukturen verwendet werden kann.
  • Stand der Technik
  • Mehrlagige Verdrahtungssubstrate auf Basis von Niedertemperaturkeramiken, sogenannte LTCC-Substrate (Low Temperature Cofired Ceramics), sind in der mikroelektronischen Aufbau- und Verbindungstechnik seit vielen Jahren in der Automobilelektronik, der Medizintechnik, der Kommunikationstechnik sowie der Luft- und Raumfahrt aufgrund ihrer thermischen Stabilität, ihrer Hochfrequenztauglichkeit, Zuverlässigkeit, und der Möglichkeit, passive elektrische Komponenten zu integrieren, bekannt. Die lateralen metallischen Verbindungsstrukturen werden mittels Dickschicht-Siebdruck realisiert und unterliegen damit den Auflösungsgrenzen hinsichtlich Leitungsbreite sowie -abstand und den Toleranzen dieser Technologie. Typische Leitungsbreiten und -abstände liegen zwischen 75 und 150 µm. Sie sind damit z.B. ungeeignet für die FlipChip-Kontaktierung von integrierten Halbleiterbauelementen mit Anschlussrastern kleiner 150 µm. Der Anwendung von Dünnschichtprozessen zur fotolithografischen Strukturierung metallischer Schichten auf den Außenlagen sind aufgrund der Rauheit (Ra typisch > 0,3 µm) und der Ebenheit der Oberfläche der LTCC-Substrate Grenzen gesetzt, die minimal bei ca. 10 µm liegen {Reppe, G., Müller, J., Pohlner, J. et al. (2005) Development and Evaluation of Fine Line Structuring Methods for Microwave Packages in Satellite Applications. 15th European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition, June 12-15, 2005, Oud Sint Jan, Brugge, Belgium}. Nachträgliche Bearbeitungen der Oberfläche durch Schleifen, Läppen und Polieren können die Ebenheit erhöhen, sind jedoch nicht in der Lage, offene Poren in der Oberfläche zu beseitigen, welche die Strukturauflösung bzw. die Defektdichte einer nachfolgenden Dünnschichtprozessierung beeinflussen. Zum Einebnen der Oberfläche kann in einem weiteren Prozessschritt eine dünne Glasschicht (Schichtdicke < 2 µm), beispielsweise mittels Sol-Gel-Verfahren, aufgebracht werden. Mit einem derartigen Verfahren wurden Leitungsbreiten von 2 µm und Oberflächenrauigkeiten von Ra = 45 nm erzielt {Heike Bartsch, Ulrike Brokmann, Boris Goj, Robert Weiss, Edda Rädlein, Jens Müller, Sol gel thin films on LTCC ceramic multilayers enable their use as thin film substrates, In: Proceedings of 20th European Microelectronics and Packaging Conference (EMPC), September 14-16, Friedrichshafen, Germany}. Öffnungen für Durchkontaktierungen müssen nachträglich eingebracht werden. Als Alternative kann zum Einebnen der Oberfläche eine Polymerschicht auf dem gesinterten LTCC-Substrat aufgebracht werden. Diese reduziert jedoch den Temperatureinsatzbereich des Verdrahtungsträgers auf typischer weise unter 150°C. Durch die dem LTCC-Sinterprozess inhärenten Schrumpfungsprozesse mit Toleranzen zwischen 0,1 bis 0,5 % bestehen Einschränkungen in der nachfolgenden elektrischen Anbindung der metallischen Schichten auf den Einebnungsschichten zum LTCC-Substrat hinsichtlich der Deckungsgenauigkeit oder der nutzbaren Substrat- bzw. Panelfläche.
  • LTCC-Mehrlagensubstrate werden aufgrund der Möglichkeiten Kanäle, Öffnungen und Durchbrüche einzubringen, Sensorik zu integrieren sowie ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Substanzen für mikrofluidische Anwendungen eingesetzt. Nachteilig für viele Einsatzfelder ist die fehlende Transparenz für eine optische Beobachtung. Fenster oder Abdeckungen aus Glas müssen nachträglich durch Kleben, Löten oder Anglasen aufgebracht werden oder Glasfenster werden, wie unter US 6,384,473 B1 beschrieben direkt eingesintert.
  • Für die Kontaktierung und Verbindung von Halbleiterbauelementen mit hoher Anschlussdichte und kleinem Kontaktraster sind sogenannte Interposer auf Basis organischer Leiterplatten, Silizium oder Glas Stand der Technik. Organische Interposer haben den Nachteil, dass ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient nicht an die zumeist siliziumbasierten Halbleiterbauelemente angepasst ist und ihre Einsatztemperatur typischerweise unterhalb von 150°C liegt. Die glas- und siliziumbasierten Interposersubstrate bestehen aus einem einlagigen Kern mit vertikalen Durchkontaktierungen (sogenannte Through Substrate Vias) und horizontalen metallischen Strukturen, die auf Basis von Dünnschichtprozessen realisiert werden. Glasinterposer sollten aus mechanischen Stabilitätsgründen eine Mindestdicke von ca. 100 µm nicht unterschreiten. Die Oberflächenbeschaffenheiten von Gläsern oder Silizium ermöglichen eine defektarme Erzeugung von Dünnschichtmetallisierungsstrukturen mit Breiten und Abständen im SubMikrometerbereich. Bei hoher Verdrahtungsdichte ist es erforderlich mehrere Metallisierungs- und Isolationslagen sequentiell auf dem Interposersubstrat aufzubauen. Gläser mit einem an Silizium angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind verfügbar. Im Unterschied zu Glas-Interposern benötigen Silizium-Interposer für das Einbringen von Durchkontaktierungen und horizontalen Verdrahtungsstrukturen eine zusätzlich Abdeckung mit einer Isolationsschicht, da Silizium halbleitende Eigenschaften aufweist. Darüber hinaus zeigen Verbindungsleitungen und andere passive elektrische Bauelemente auf Silizium ein stärkeres Dämpfungsverhalten bei hohen Frequenzen (> 1 GHz). Ein weiterer Nachteil resultiert aus dem Herstellungsprozess von Siliziumträgern. Diese liegen in runder Form als sogenannte Wafer vor und eignen sich nicht für eine Fertigung im rechteckigen Panelformat.
  • Das Verbinden von Silizium- und LTCC-Träger mittels anodischem Bonden ist aus DE 103 51 196 A1 bekannt. Dazu wird ein LTCC-Material benötigt, welches im thermischen Ausdehnungskoeffizienten an Silizium angepasst ist und einen bestimmten Natrium-Gehalt aufweist. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die aufwändige Oberflächenbearbeitung des LTCC-Trägers, um eine möglichst flächige anodische Bondverbindung zu erhalten. Das anodische Bonden hat jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Deckungsgenauigkeiten von vordefinierten Strukturen auf Siliziumwafer und LTCC-Substrat aufgrund der Schrumpfungstoleranzen der LTCC-Substrate. Aus EP 2 218 101 B1 ist eine Anordnung bestehend aus Silizium und LTCC bekannt, bei der die Verbindung zwischen Silizium und einer im thermischen Ausdehnungskoeffizienten an Silizium angepassten LTCC durch das Aufbringen einer flächigen Nadelstruktur auf dem Siliziumträger, der Lamination der ungesinterten LTCC-Folien auf diese Nadelstruktur und einen Sinterprozess erfolgt, bei dem der vorgenannte Nachteil in Bezug auf die Deckungsgenauigkeiten entfällt.
  • Das Verbinden von Glas und Silizium mittels Fusions-Bonden für Interposersubstrate ist aus US 9 287 172 B2 bekannt. Dazu müssen bei beiden Fügepartnern Oxidschichten bereitgestellt werden, die den Fusions-Bondprozess ermöglichen.
  • Das Verbinden von Glas und Silizium kann auch durch das Glasfritte-Bonden erfolgen. Dazu ist eine zusätzliche Glasfritte-Paste aufzubringen. Durch das Aufschmelzen der Glasfritte und die Benetzung der Oberflächen werden beide Fügepartner miteinander verbunden. Dieses Verfahren ist geeignet, Oberflächenrauigkeiten auszugleichen. Das vollflächige Glasfritte-Bonden von gesinterten LTCC-Substraten auf Glas ist möglich, hat jedoch aufgrund der Schrumpfungstoleranzen der LTCC-Substrate und der damit verbundenen Deckungsungenauigkeiten keine praktische Relevanz.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Glas-Keramik-Verbundsubstrat mit hoher Deckungsgenauigkeit bereitzustellen, welches preiswert und im Wesentlichen hilfsstofffrei herstellbar ist und als Träger für mikroelektronische oder mikrofluidische, mikromechanische und optoelektronische Funktionen verwendet werden kann.
  • Ein erfindungsgemäßes Glas-Keramik-Verbundsubstrat umfasst ein Glas-Keramik-Verbundsubstrat mit einer Niedertemperaturkeramik mit einer Oberfläche und mindestens einer vorstrukturierten Keramiklage und ein Glassubstrat mit einer Oberfläche, wobei sich die Oberflächen der Niedertemperaturkeramik und des Glassubstrates überdecken und die Verbindung der Niedertemperaturkeramik und des Glassubstrates im Wesentlichen keine Hilfsstoffe enthält. „im Wesentlichen keine Hilfsstoffe“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass keine Zwischenschicht oder Haftvermittler erforderlich sind. Zum Beispiel eine auf dem Glas vorab aufgebrachte dünne Schicht um beispielsweise die Benetzung zu verbessern, soll jedoch im Sinne der Erfindung keine Zwischenschicht oder Haftvermittler sein, so dass ein Glas-Keramik-Verbundsubstrat mit beispielsweise einer solchen Benetzungsschicht auch von dem Gegenstand der Erfindung umfasst wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Glas-Keramik-Verbundsubstrates liegen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glassubstrates und der Niedertemperaturkeramik unter 10,0 * 10-6K-1 (= 10 ppm/K), bevorzugt in einem Bereich von 3,0•* 10-6K-1 bis 10,0 * 10-6K-1 (= 3-10 ppm/K).
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Glas-Keramik-Verbundsubstrates weist die Niedertemperaturkeramik elektrische oder thermische Vias und/oder Leiterbahnen und/oder Fluidkanäle und/oder Kavitäten auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Glassubstrat Öffnungen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Glas-Keramik-Verbundsubstrates sind die Öffnungen derart mit einer Metallpaste gefüllt, dass sie geeignet sind um eine vertikale elektrische Verbindung zwischen Vias oder Leiterbahnen zur Oberseite des Glassubstrates zu realisieren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Glas-Keramik-Verbundsubstrat eine Oberfläche mit einer Rauigkeit kleiner als 20 nm auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Oberfläche mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht auf, die geeignet ist um durch fotolithografische und Ätzprozesse zu Leiterbahnen, Durchkontaktierungen oder Funktionselementen umgestaltet zu werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Glas-Keramik-Verbundsubstrates umfasst ein Strukturieren der Niedertemperaturkeramik, die beispielsweise aus mindestens einer ungebrannten Keramikfolie gebildet ist; ein Erzeugen einer Schicht aus einer oder mehreren Lagen der Niedertemperaturkeramik; ein Auflaminieren des Glas-Substrates auf die Schicht bei einem Druck in einem Bereich von 10 MPa bis 60 MPa und einer Temperatur in einem Bereich von 60 °C bis 90 °C.
  • Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst ein Auflaminieren einer Sinterhilfsschicht auf der dem Auflaminierten Glas-Substrat gegenüberliegenden Seite der Schicht bei einem Druck in einem Bereich von 10 MPa bis 60 MPa und einer Temperatur in einem Bereich von 60 °C bis 90 °C.
  • Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst nachfolgend auf den Schritt des Auflaminierens des Glas-Substrates (30) oder des Auflaminierens der Sinterhilfsschicht (18) einen Organikausbrand bei einer Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 300 °C und 500 °C und einen Sinterprozess bei einer Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 700°C und 900°C, bevorzugt bei 850°C, jedoch bei maximal 950°C.
  • Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst, dass der Sinterprozess durch Beschweren des Glas-Keramik-Verbundsubstrates (40) mit Gewichten druckunterstützt durchgeführt wird, wobei sich durch das Beschweren ein Druck auf dem Glas-Keramik-Verbundsubstrates (40) in einem Bereich 0,001 MPa bis 10 MPa, bevorzugt 0.0033 MPa, ergibt.
  • Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Erzeugen von mindestens einem Widerstand und / oder mindestens einem Kondensator und/oder mindestens einer Spule in bzw. auf der Keramikfolie während des Strukturierens der Keramikfolie.
  • Das thermische Ausdehnungsverhalten der Niedertemperaturkeramik ist vorteilhafterweise an das Ausdehnungsverhalten des Glas-Substrates angepasst, sodass Stress an der Verbindungsstelle minimiert wird.
  • Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Glas-Keramik-Verbundsubstrates werden zunächst ungebrannte Keramikfolien ein- oder mehrlagig vorstrukturiert, d. h. mit Leiterbahnen, Vias (Durchkontaktierungen), Fluidkanälen oder auch mit Widerständen, Kondensatoren und/oder Spulen versehen. Das Vorstrukturieren erfolgt mit Hilfe von Standardverfahren, wie beispielsweise Stanzen, Via-Füllen, Siebdrucken oder Laserbearbeitung. Die Keramikfolien werden anschließend zur Herstellung der gewünschten Funktionalität und zur Herstellung einer Trägerschicht gestapelt. Der Keramikfolienstapel wird entweder vorlaminiert und danach zum Glas-Substrat ausgerichtet oder der Keramikfolienstapel wird direkt zum Glas-Substrat ausgerichtet. Anschließend wird der Gesamtstapel einer Lamination unterzogen, wobei sich die ungesinterten Keramikfolien untereinander sowie mit dem Glas-Substrat verbinden. Zur Unterbindung von Rissbildungen kann eine Sinterhilfsschicht als Abschlusslage auf der Keramikfolienseite mit auflaminiert werden. Anschließend wird das Laminat einem Ausbrand zwischen ca. 350 und 450°C unterzogen, bei dem die organischen Hilfsstoffe entfernt werden. Im Anschluss daran erfolgt der Sinterprozess der Keramikfolien bei ca. 850 bis 900 °C, bei der die Verdichtung der Niedertemperaturkeramik erfolgt. Die damit einhergehende Schrumpfung wird lateral an der Grenzfläche zwischen den Keramiksubstrat und dem Glas-Substrat unterbunden. Das Keramiksubstrat schrumpft nur in der Substratdicke. An der Grenzschicht zwischen den Keramikfolien und dem Glas-Substrat wird im Sinterprozess die hochtemperaturstabile Verbindung realisiert.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass auf den kompletten Arbeitsgang des Sinterns der LTCC-Keramik vorab verzichtet werden kann, da dieses integral mit der Herstellung des erfindungsgemäßen Glas-Keramik-Verbundsubstrates erfolgt. Außerdem kann durch den Entfall des sonst vorab benötigten Sintervorganges der LTCC eine größere Vielfalt, an herstellbaren LTCC-Strukturen erreicht werden, da diese als Schichten von ungebrannten Keramikfolien nach Bedarf zusammengestellt werden können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung sollen die genannten Nachteile der bekannten Verdrahtungsträger ausgeräumt werden. Dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem ein hybrides Interposer-Substrat mit einem einstellbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 3,0 · 10-6K-1 bis über 10,0 · 10-6K-1 bestehend aus einer LTCC-Schicht und einer Glasschicht erzeugt werden kann. Das hybride Interposersubstrat, welches im Panel- oder Waferformat erzeugt wird, vereint die Vorteile von LTCC-Substraten, wie z.B. die passive Integration und hervorragende Hochfrequenzeigenschaften, mit den Vorteilen von Glassubstraten, wie die Dünnschichttauglichkeit und die daraus resultierende hohe laterale Strukturauflösung.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile verschiedener Ausführungsformen der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • 1 eine beispielhafte schematische Darstellung des Aufbaus eines Glas-Keramik-Verbundsubstrates gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 eine beispielhafte schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung eines Glas-Keramik-Verbundsubstrates gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei dem bereits Öffnungen in der Glasschicht enthalten sind.
    • 3 eine beispielhafte schematische Darstellung des Aufbaus vor der Lamination zur Herstellung eines Glas-Keramik-Verbundsubstrates gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Löcher in der Glasschicht bereits mit einer Metallpaste gefüllt sind.
    • 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Glas-Keramik-Verbundsubstrates, bei dem Kanäle bzw. Kavitäten an der Grenzfläche zwischen der Glasschicht und der Keramikschicht enthalten sind.
  • Die in den Figuren verwendeten Referenzsymbole und ihre Bedeutung werden in einer Referenzsymbolliste zusammengefasst. Generell werden gleichen oder gleichfunktionierenden Teilen dieselben Referenzsymbole gegeben. Die beschriebenen Ausführungsformen verstehen sich als Beispiele und sollen die Erfindung nicht einschränken.
  • Eine Ausführungsformen der erfindungsgemäße Glas-Keramik-Verbundsubstrat (40) besteht aus einer LTCC-Schicht (20), bestehend aus mindestens einer LTCC-Folie (12) und einer Glasschicht (30), deren Wärmeausdehnungskoeffizient an den der LTCC-Schicht (20) angepasst ist (1). Die Dicke der Glasschicht (30) kann beispielsweise zwischen 50µm und 500µm liegen. Durch Vorbehandlung sind auch dünnere Gläser denkbar. Die Dicke der LTCC Schicht (20) kann beispielsweise zwischen 40µm (z.B. eine Lage) und 2000µm (z.B. 20 Lagen á 100µm) liegen. Als gängige Formate können beispielsweise Wafer mit 4" bis 8" Durchmesser (oder auch kleiner) bzw. Panels mit 4" x 4" bis 8" x 8" Abmessung verwendet werden. Als beispielhafte Materialien können hierbei DuPont 9k7 + Schott AF45 oder IKTS BCT5 + Schott AF32 verwendet werden.
  • Das Glas-Keramik-Verbundsubstrat kann elektrisch leitfähige Durchkontaktierungen (16) und Leiterbahnen (14), die mittels Sieb- oder Schablonendruck auf die noch ungesinterten LTCC-Folien (12) aufgebracht werden, enthalten. Die Oberflächen der Niedertemperaturkeramik (20) und des Glassubstrat (30) werden überdeckend zusammengeführt. „Überdeckend“ heißt in diesem Zusammenhang dass sich die Oberflächen der Niedertemperaturkeramik (20) und des Glassubstrat (30) im Wesentlichen, also über den überwiegenden Teil der Oberflächen überdecken, eine hundertprozentige Überdeckung aber nicht notwendig ist und auch fertigungstechnisch nicht hundertprozentig zu erreichen ist. Die LTCC-Folien (12) werden unter erhöhtem Druck und Temperatur zu einem Laminat (10) verpresst. Die Verbindung der Niedertemperaturkeramik (20) und des Glassubstrates (30) enthält im Wesentlichen keine Hilfsstoffe. Zum Beispiel eine auf dem Glas vorab aufgebrachte dünne Schicht um beispielsweise die Benetzung zu verbessern, soll jedoch im Sinne der Erfindung keine Zwischenschicht oder Haftvermittler sein, so dass ein Glas-Keramik-Verbundsubstrat mit beispielsweise einer solchen Benetzungsschicht auch von dem Gegenstand der Erfindung umfasst wird. Der klassische LTCC-Verarbeitungsprozess bis zum Laminieren umfasst beispielsweise die Schritte Zuschnitt, Tempern, Via-Stanzen, Via-Füllen, und Leiterbahndruck. Die speziellen Laminationsbedingungen werden durch das jeweilige LTCC-Material vorgegeben. Das Auflaminieren des Glas-Substrates (30) kann beispielsweise bei einem Druck in einem Bereich von 10 MPa bis 60 MPa und einer Temperatur in einem Bereich von 60 °C bis 90 °C durchgeführt werden.
  • Neben den Leiterbahnen können Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten und andere passive Funktionselemente in den Schichtaufbau integriert werden (2a).
  • Die Glasschicht (30) kann mit Öffnungen (32) versehen werden, die beispielsweise mittels Laserabtrag oder Trockenätzen erzeugt werden. Die Glasschicht (30) kann auf Verarbeitungsgröße z.B. mittels Laser oder Wafersäge zugeschnitten werden. Auch das Einbringen von Löchern oder Öffnungen (32) kann mittels Laser oder andere Verfahren der Locherzeugung in Glas realisiert werden. Ferner können diese Öffnungen bereits mit einer sinterfähigen Metallpaste (34), z.B. auf Basis von Gold oder Silber gefüllt werden (3).
  • Das LTCC-Laminat (10) kann beispielsweise mit der Glasschicht (30) und einer Sinterhilfsschicht (18) mittels Druck und Temperatur in Kontakt gebracht (2b) werden. Die Sinterhilfsschicht (18) besteht dabei aus einer ungesinterten keramikgefüllten Folie, deren Sintertemperatur über 1000°C liegt. Danach werden die organischen Hilfsstoffe der noch ungesinterten LTCC-Folien (12) des LTCC-Laminats (10) sowie der Sinterhilfsschicht (18) bei ca. 300 bis 450°C ausgebrannt. Im nachfolgenden Sinterschritt bei 850-900°C versintern die LTCC-Folien zu einem LTCC-Substrat (20) und die Verbindung zur Glasschicht (30) wird dauerhaft hergestellt. Das Sintern kann entweder „drucklos“, also ohne weitere Auflagekraft durch ein externes Gewicht oder druckunterstützt, also mit Auflage eines externen Gewichtes, das einen Druck von zwischen 0,01-10 MPa (materialabhängig) ausübt, durchgeführt werden. Das Sinterprofil (Ausbrennphase und Sintertemperatur) ist jeweils durch das LTCC-Material vorgegeben, wobei die maximale Sintertemperatur < 950°C ist.
  • Bei der LTCC-Sinterung erfolgt die Schrumpfung nur in vertikaler Richtung, da die laterale Schrumpfung durch die Glasschicht (30) und die Sinterhilfsschicht (18) unterbunden wird (2c). Zur Erzielung einer hohen Planparallelität kann der Sintervorgang auch unter Druckbeaufschlagung erfolgen. Nach dem Sinterprozess wird die Sinterhilfsschicht (18) durch Bürsten oder Spülen entfernt (2d).
  • Zur Verbesserung der Eigenschaften der Oberflächen (38) und zur Reduktion der Stärke der z.B. Glasschicht, kann ein Schleif-, Läpp- und Polierprozess angewendet werden (2e) um die Oberfläche (38) zu polieren. Es wird jedoch klargestellt, dass sich auch auf einer unbehandelten Oberfläche Leitbahnen erzeugen lassen. Die Strukturauflösung ist jedoch auf einer behandelten Oberfläche (38) deutlich höher, da die Rauigkeit durch den Polierschritt signifikant reduziert wird.
  • Mit Dünnschichtprozessen (z.B. Kathodenzerstäubung oder Bedampfen) können metallische Schichten aufgebracht und fotolithografisch strukturiert werden. Typische Schichtfolgen bestehen aus einer Haft- und Barriereschicht sowie einer Saatschicht, die mittels galvanischer Prozesse verstärkt werden kann. Der Schichtaufbau wird durch die Anforderungen der Verbindungsprozesse (z.B. Löten oder Drahtbonden) definiert. Durch die Fotostrukturierung und Ätzprozesse werden vertikale Verbindungen (22) zu den Metallschichten in der LTCC sowie Leiterbahnen (24) realisiert. Durch die gezielte Gestaltung von Leiterbahnstrukturen lassen sich passive Bauelemente (26) wie Spulen o.ä. integrieren (2f).
  • Durch Aussparungen (50) in den LTCC-Folien (12) bzw. im LTCC-Laminat (10) an der Grenzfläche zur Glasschicht könne vergrabene Kavitäten und Kanäle im Verbundsubstrat bestehend aus Keramikschicht (20) und Glasschicht (30) entstehen, die eine optische Kontrolle durch die Glasschicht erlauben (4).
  • Es wird angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und dass der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ nicht den Plural ausschließt. Auch können in Verbindung mit unterschiedlichen Ausführungsformen beschriebe Elemente kombiniert werden. Es wird auch angemerkt, dass die in den Patentansprüchen verwendeten Referenzzeichen nicht als den Schutzumfang der Patentansprüche einschränkend gedacht sind.
  • Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung wird sich verstehen, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert werden kann, ohne vom Wesen oder den grundlegenden Eigenschaften davon abzuweichen. Die vorliegenden offenbarten Ausführungsformen verstehen sich daher in jederlei Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend. Der Schutzumfang der Erfindung wird durch die nachfolgenden Patentansprüche und nicht die vorangegangene Beschreibung definiert und alle Veränderungen, die in die Bedeutung, den Bereich und das Äquivalent davon fallen, sollen sich als darin eingeschlossen verstehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Schicht aus z.B. ungebranntem Keramikfolienlaminat
    12
    vorstrukturierte Keramiklage aus z.B. ungebrannter Keramikfolie
    14
    Leiterbahnen
    16
    Vias
    18
    Sinterhilfsschicht
    20
    Niedertemperaturkeramik
    22
    Durchkontaktierung
    24
    Leiterbahn
    26
    Funktionselement
    30
    Glassubstrat
    32
    Öffnung
    34
    Metallpaste
    36
    Oberfläche unbehandelt
    38
    Oberfläche
    40
    Glas-Keramik-Verbundsubstrat
    50
    Fluidkanal oder Kavität
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6384473 B1 [0003]
    • DE 10351196 A1 [0005]
    • EP 2218101 B1 [0005]
    • US 9287172 B2 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Claims (12)

  1. Glas-Keramik-Verbundsubstrat (40), umfassend eine Niedertemperaturkeramik (20) mit einer Oberfläche und mindestens einer vorstrukturierten Keramiklage (12) und ein Glassubstrat (30) mit einer Oberfläche, wobei sich die Oberflächen der Niedertemperaturkeramik (20) und des Glassubstrates (30) überdecken und die Verbindung der Niedertemperaturkeramik (20) und des Glassubstrates (30) im Wesentlichen keine Hilfsstoffe enthält.
  2. Glas-Keramik-Verbundsubstrat (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glassubstrates und der Niedertemperaturkeramik unter 10,0 * 10-6K-1 (= 10 ppm/K), bevorzugt in einem Bereich von 3,0·* 10-6K-1 bis 10,0 * 10-6K-1 = 3-10 ppm/K) liegt.
  3. Glas-Keramik-Verbundsubstrat (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedertemperaturkeramik (20) elektrische oder thermische Vias (16) und/oder Leiterbahnen (14) und/oder Fluidkanäle und/oder Kavitäten (50) aufweist.
  4. Glas-Keramik-Verbundsubstrat (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Glassubstrat Öffnungen (32) umfasst.
  5. Glas-Keramik-Verbundsubstrat (40) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (32) derart mit einer Metallpaste (34) gefüllt sind, dass sie geeignet sind um eine vertikale elektrische Verbindung zwischen Vias (16) oder Leiterbahnen (24) zur Oberseite des Glassubstrates zu realisieren.
  6. Glas-Keramik-Verbundsubstrat (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Glas-Keramik-Verbundsubstrat (40) eine Oberfläche (38) aufweist und die Oberfläche (38) eine Rauigkeit kleiner als 20 nm aufweist.
  7. Glas-Keramik-Verbundsubstrat (40) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (38) mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist, die geeignet ist um durch fotolithografische und Ätzprozesse zu Leiterbahnen (24), Durchkontaktierungen (22) oder Funktionselementen (26) umgestaltet zu werden.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Glas-Keramik-Verbundsubstrates (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, folgende Schritte umfassend: Strukturieren der Niedertemperaturkeramik (20), die beispielsweise aus mindestens einer ungebrannten Keramikfolie gebildet ist; Erzeugen einer Schicht (10) aus einer oder mehreren Lagen der Niedertemperaturkeramik (20); Auflaminieren des Glas-Substrates (30) auf die Schicht (10) bei einem Druck in einem Bereich von 10 MPa bis 60 MPa und einer Temperatur in einem Bereich von 60 °C bis 90 °C.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend Auflaminieren einer Sinterhilfsschicht (18) auf der dem Auflaminierten Glas-Substrat (30) gegenüberliegenden Seite der Schicht (10) bei einem Druck in einem Bereich von 10 MPa bis 60 MPa und einer Temperatur in einem Bereich von 60 °C bis 90 °C.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend auf den Schritt des Auflaminierens des Glas-Substrates (30) oder des Auflaminierens der Sinterhilfsschicht (18) ein Organikausbrand bei einer Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 300 °C und 500 °C und ein Sinterprozess bei einer Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen 700°C und 900°C, bevorzugt bei 850°C, jedoch bei maximal 950°C durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterprozess durch Beschweren des Glas-Keramik-Verbundsubstrates (40) mit Gewichten druckunterstützt durchgeführt wird, wobei sich durch das Beschweren ein Druck auf dem Glas-Keramik-Verbundsubstrates (40) in einem Bereich von 0,001 MPa bis 10 MPa, bevorzugt 0.0033 MPa, ergibt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, umfassend das Erzeugen von mindestens einem Widerstand und / oder mindestens einem Kondensator und/oder mindestens einer Spule in bzw. auf der Keramikfolie während des Strukturierens der Keramikfolie.
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