DE10252636A1

DE10252636A1 - Keramisches Vielschichtsubstrat und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10252636A1
Application number: DE2002152636
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Dr. Aichholzer; Aloys Josef Dr. Foecker; Christian Dr. Hoffmann
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-05-19
Also published as: WO2004043692A1; AU2003286127A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein keramisches Vielschichtsubstrat (1) sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung mit folgenden Schritten: a) Übereinanderstapeln keramischer Grünfolien (21, 22), wobei die oberste Grünfolie (22) eine Aussparung (3) aufweist, und Anbringen einer Zwangsschicht (40) unterhalb der obersten Grünfolie (22) und b) Sintern des Schichtstapels bei einer Sintertemperatur, bei der sich die Zwangsschicht im wesentlichen nicht verformt. Das Verfahren hat den Vorteil, daß keramische Vielschichtsubstrate mit Vertiefungen an der Oberseite weitgehend rißfrei hergestellt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Vielschichtsubstrat mit einem Stapel von übereinanderliegenden keramischen Schichten. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen keramischen Vielschichtsubstrats.
Es ist aus der Druckschrift DE 691 06 830 D2 ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschichtsubstrates bekannt, bei dem in einem ersten Schritt ein Stapel von übereinanderliegenden keramischen Grünfolien hergestellt wird. In einem weiteren Schritt werden auf der Oberseite und auf der Unterseite des Stapels jeweils eine Zwangsschicht aufgebracht. Die Zwangsschicht besteht aus einem Material, das bei den Temperaturen, bei denen die Schichten des Schichtstapels gesintert werden, nicht sintert.
Um in Module, wie sie beispielsweise als Frontendmodule in Mobilfunkapplikationen verwendet werden, an der Oberfläche von Vielschichtsubstraten noch Halbleiterchips versenken zu können, werden keramische Vielschichtsubstrate benötigt, die an deren Oberfläche Vertiefungen aufweisen. Dies erlaubt eine Reduzierung der Bauteilhöhe und darüber hinaus einen Schutz für die in den Vertiefungen versenkten Bauteile und deren Kontakte.
Das bekannte Verfahren zur Herstellung von Vielschichtkeramiksubstraten hat den Nachteil, daß es für die Herstellung von Substraten mit einer Aussparung an der Oberfläche nur schlecht geeignet ist. Dies resultiert daraus, daß sich in den Aussparungen, vorzugsweise an den unteren Seitenrändern der Aussparung Ausgangspunkte für Risse und Verformungen des Keramikkörpers bilden. Eine Ursache hierfür ist der Sinterschwund am Boden der Aussparung, da die Oberflächen der Aus sparung nicht mehr durch die nur oben auf dem Substrat aufliegende Zwangsschicht fixiert sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschichtsubstrates anzugeben, bei dem die Gefahr von Rißbildungen im Bereich der Aussparung reduziert ist. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Keramiksubstrat mit einer Aussparung an der Oberfläche anzugeben, das weitgehend rißfrei hergestellt werden kann.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein keramisches Vielschichtsubstrat nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Patentanspruch 2.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschichtsubstrats angegeben, bei dem in einem ersten Schritt ein Stapel von übereinanderliegenden Grünfolien hergestellt wird. Die oberste der Grünfolien weist dabei eine oder auch mehrere Aussparungen auf. Diese Aussparungen in der obersten Grünfolie sind dazu geeignet, Vertiefungen in der Oberfläche des fertigen keramischen Vielschichtsubstrates zu bilden. Es wird darüber hinaus in diesem Schritt eine Zwangsschicht unterhalb der mit den Aussparungen versehenen keramischen Grünfolie angeordnet.
Unter einer Zwangsschicht ist dabei eine Schicht zu verstehen, die sich während des Sinterns des Schichtstapels nur sehr wenig verändert und sich insbesondere kaum verformt. Beispielsweise könnte eine solche Zwangsschicht aus Aluminiumoxid bestehen oder sie könnte auch lediglich Aluminiumoxid enthalten. Aluminiumoxid zeichnet sich aus durch eine sehr hohe Sintertemperatur, die beim Sintern der gängigen keramischen Vielschichtsubstrate nicht erreicht wird. Insbesondere wird dafür Sorge getragen, daß die Sintertemperatur für die übrigen keramischen Grünfolien niedriger liegt als die Sintertemperatur der Zwangsschicht.
In einem weiteren Schritt wird der Stapel aus übereinanderliegenden keramischen Grünfolien bei einer Temperatur gesintert, bei der die Grünfolien des Stapels sintern, nicht jedoch die Zwangsschicht.
Mit Hilfe dieses Verfahrens kann es erreicht werden, daß die oberste keramische Grünfolie, die eine oder mehrere Aussparungen aufweist, sowohl ggf. von der Oberseite her als auch zumindest von der Unterseite her durch eine Zwangsschicht am Schrumpfen in laterale Richtung während des Sinterns gehindert werden kann. Es kann mit Hilfe des Verfahrens erreicht werden, daß die Gefahr des Schrumpfens der obersten keramischen Grünfolie durch die auf der Unterseite dieser Grünfolie angebrachten Zwangsschicht reduziert ist.
Es kann darüber hinaus erreicht werden, da sich nun im Bereich der Vertiefung, insbesondere im Bereich des Bodens der Vertiefung eine Zwangsschicht befindet, daß der Boden der Vertiefung nur noch sehr wenig in laterale Richtung schrumpft, was die Bildung von Rissen weitgehend vermindert.
Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß für die Zwangsschicht gelten muß, daß deren Sintertemperatur oder auch jede andere Temperatur, bei der sich die Zwangsschicht in ihrer Größe ändert oder bei der sie andere Verformungsprozesse durchläuft, wesentlich höher liegt oder zumindest höher liegt als sämtliche Prozeßtemperaturen, die auf den Stapel von übereinanderliegenden Grünfolien bzw. auf das keramische Vielschichtsubstrat während dessen Herstellung angewendet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden entsprechend der bekannten Methode zur Herstellung von keramischen Vielschichtsubstraten zusätzlich noch auf der Oberseite und auf der Unterseite des Schichtstapels Zwangsschichten angeordnet, und zwar vor dem Sintern des Schichtstapels.
Dadurch kann vorteilhaft erreicht werden, daß die oberste keramische Grünfolie auf der Ober- und auf der Unterseite jeweils eine Zwangsschicht vorfindet, die wodurch das die Gefahr des Schrumpfens der obersten keramischen Grünschicht weiter reduziert ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein keramisches Vielschichtsubstrat in einem schematischen Querschnitt.
Das keramische Vielschichtsubstrat 1 wird hergestellt mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens aus einem Grünkörper. Er weist keramische Grünfolien 21, 22 auf, die Teil eines Stapels von übereinanderliegenden Grünfolien sind. Dabei bildet die keramische Grünfolie 22 den oberen Abschluß des Schichtstapels. Die oberste keramische Grünfolie 22 weist eine Aussparung 3 auf, die dazu geeignet ist, eine Vertiefung auf der Oberseite des keramischen Vielschichtsubstrates zu bilden. Unterhalb der keramischen Grünfolie 22 ist eine Zwangsschicht 40 angeordnet, die die keramische Grünfolie 22 von der keramischen Grünfolie 21 trennt. Die Zwangsschicht 40 besteht dabei aus einer Aluminiumoxid-Schicht 4, die auf der Oberseite und auf der Unterseite jeweils eine weitere keramische Grünfolie 41, 42 aufweist. Die keramischen Grünfolien 41, 42 werden gemeinsam mit den übrigen keramischen Grünfolien 21, 22 gesintert. Sie bestehen aus einem entsprechenden Material, das vergleichbare oder ähnliche Sintereigenschaften aufweist. Demgegenüber besteht die Aluminiumoxid-Schicht 4 zu großen Teilen aus Aluminiumoxid, sie kann jedoch auch noch organische Bestandteile enthalten und kann mithin die Form einer keramischen Grünfolie aufweisen.
Nach dem Sintern entsteht daraus ein Vielschicht-Keramiksubstrat, bei dem auf der Oberseite des Stapels von keramischen Schichten eine Keramikschicht mit Aussparungen 3 angeordnet ist. Unterhalb der obersten Keramikschicht ist eine Zwangsschicht 40 angeordnet. Der wesentliche Teil der Zwangsschicht 40 ist die Aluminiumoxid-Schicht 4.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können in der Figur die Schichten 41, 42 weggelassen werden, so daß die oberste keramische Schicht 22 direkt an die Aluminiumoxid-Schicht 4 grenzt.
Durch die Zwangsschicht kann einerseits die Kraftfortpflanzung vom Innern des keramischen Substrates nach außen, insbesondere in den Bereich der Aussparung 3 reduziert werden, wodurch gleichzeitig die Gefahr der Risse reduziert wird.
Darüber hinaus kann durch die im Innern des Schichtstapels angeordnete Zwangsschicht 40 auch eine Rißbildung der obersten keramischen Schicht weitgehend vermindert werden.
Bei einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens bzw. des Vielschichtsubstrates bildet eine Schicht aus einem sehr hochsinternden Material direkt den Boden der Vertiefung.

1: keramisches Vielschichtsubstrat
21, 22: keramische Grünfolien
3: Aussparung
4: Aluminiumoxid-Schicht
41, 42: weitere keramische Grünfolien
40: Zwangsschicht

Claims

Keramisches Vielschichtsubstrat, das gebildet ist aus einem Stapel übereinanderliegender Keramikschichten, – bei der die oberste Keramikschicht (22) eine Aussparung (3) aufweist, – bei dem unterhalb der obersten Keramikschicht (22), im Bereich der Aussparung (3), eine Zwangsschicht (40) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Vielschichtsubstrats, mit folgenden Schritten: a) Übereinanderstapeln keramischer Grünfolien (21, 22), wobei die oberste Grünfolie (22) eine Aussparung (3) aufweist, und Anbringen einer Zwangsschicht (40) unterhalb der obersten Grünfolie (22), b) Sintern des Schichtstapels bei einer Sintertemperatur, bei der sich die Zwangsschicht im wesentlichen nicht verformt.