DE112017001274T5

DE112017001274T5 - Verbindungssubstrat

Info

Publication number: DE112017001274T5
Application number: DE112017001274.0T
Authority: DE
Inventors: Sugio Miyazawa; Tatsuro Takagaki; Akiyoshi Ide
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2019-01-10
Also published as: JPWO2017154422A1; US10257941B2; CN108781506A; WO2017154422A1; KR20180121507A; TW201743369A; TWI720123B; CN108781506B; JP6918774B2; US20180359866A1

Abstract

Ein Verbindungssubstrat umfasst ein Keramiksubstrat mit einem Durchgangsloch darin und einen Durchgangsleiter 11, der in dem Durchgangsloch bereitgestellt ist und eine erste Hauptoberfläche 11a und eine zweite Hauptoberfläche 11b umfasst. Der Durchgangsleiter 11 umfasst einen porösen Metallkörper 20, der erste offene Poren 16A, 16D, die mit der ersten Hauptoberfläche 11a in Verbindung stehen, und zweite offene Poren 16B, die mit der zweiten Hauptoberfläche 11b in Verbindung stehen, umfasst, erste Glasphasen 17, 19, die jeweils in den ersten offenen Poren 16A, 16D bereitgestellt sind, zweite Glasphasen 17B, die jeweils in den zweiten offenen Poren 16B bereitgestellt sind, erste Räume 30, die jeweils in den ersten offenen Poren bereitgestellt sind, und zweite Räume 32, die jeweils in den zweiten offenen Poren 16B bereitgestellt sind. Die ersten Räume 30 sind geschlossene Räume, die nicht mit der ersten Hauptoberfläche in Verbindung stehen. Die zweiten Räume 32 sind offene Räume, die mit der zweiten Hauptoberfläche 11b in Verbindung stehen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Verbindungssubstrat, in dem ein Durchgangsleiter, wie z.B. ein Durchkontaktierungsleiter, in einem Durchgangsloch ausgebildet ist.
ANGABE DES STANDES DER TECHNIK
Als Substrat zum Montieren einer elektronischen Vorrichtung, wie z.B. eines SAW-Filters, wird ein Substrat (Durchkontaktierungssubstrat) mit einer Struktur verwendet, bei der ein Durchgangsloch in einem isolierenden Substrat, wie z.B. einem Keramiksubstrat, bereitgestellt ist und das Durchgangsloch mit einem Leiter gefüllt ist, so dass eine Durchgangselektrode bereitgestellt wird. In letzter Zeit sind aufgrund einer Verminderung der Größe einer Kommunikationsvorrichtung, wie z.B. eines Mobiltelefons, eine Verkleinerung und Verminderung der Höhe einer darin verwendeten elektronischen Vorrichtung erforderlich. Ferner ist eine Verminderung der Substratdicke für das Durchkontaktierungssubstrat erforderlich, das die Vorrichtung bildet.
Ferner ist es zum Erreichen der Verkleinerung erforderlich, Verdrahtungen auf einer Oberfläche des Substrats fein zu machen. Es ist daher erforderlich, die Größe der Durchgangselektrode geringer zu machen und die Genauigkeit der Position größer zu machen. Ferner ist es, da die feinen Verdrahtungen durch Fotolithografie oder Plattieren gebildet werden, zum Verhindern eines Versagens aufgrund eines Eindringens einer flüssigen Chemikalie während des Schritts des Aufbringens eines Fotolacks oder einer Plattierung insbesondere erforderlich, dass die Durchgangselektrode eine hohe Dichte aufweist und deren Wasserdichtigkeit hoch ist.
Zum Verdichten der Durchgangselektrode werden verschiedene Arten von Lösungen vorgeschlagen. Die Lösungen zielen jedoch auf relativ dicke Substrate und eine große Durchgangselektrode ab. Gewünschte Ergebnisse werden in dem Fall nicht erhalten, bei dem ein dünnes Substrat und eine Durchgangselektrode mit einer geringen Größe verwendet werden.
Beispielsweise ist gemäß dem Patentdokument 1 ein Verfahren des Bildens eines leitenden Schutzfilms auf einer Oberfläche einer porösen Durchgangselektrode zum Verhindern des Eindringens einer Fotolackflüssigkeit offenbart. In dem Fall, bei dem die Dicke eines isolierenden Substrats gering ist, ist die Durchlässigkeit des Durchgangslochs hoch und die Festigkeit des leitenden Schutzfilms ist unzureichend, so dass er nicht als Schutzfilm wirkt. Ferner tritt entlang einer Grenzfläche von Keramik und Metall aufgrund einer Differenz der Wärmeausdehnung eine Trennung auf.
Gemäß dem Verfahren von Patentdokument 2 werden nach dem Bilden eines porösen ersten Leiters als Durchgangselektrode dessen Poren mit einem zweiten Leiter gefüllt. In dem Fall, bei dem ein Keramiksubstrat verwendet wird, besteht jedoch aufgrund einer Differenz der Wärmeausdehnung eines Metalls als Leiter und einer Keramik eine Tendenz dahingehend, dass nach dem Dünnermachen des Substrats Risse oder ein Verzug des Substrats auftreten oder auftritt.
Gemäß dem Patentdokument 3 ist ein Verfahren offenbart, bei dem Metalle, die ein aktives Metall enthalten, in ein Durchgangsloch eines Keramiksubstrats gefüllt werden, so dass eine aktive Metallschicht zwischen dem Keramiksubstrat und der Durchgangselektrode gebildet wird und die aktive Metallschicht verdichtet wird. Zusätzlich zu dem Problem der Erzeugung von Rissen aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnung von Keramik und Metall, wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Viskosität eines Metalllötmittels, welches das aktive Metall enthält, sehr hoch. Es ist dadurch schwierig, es in dem Fall, bei dem die Größe der Durchgangselektrode gering ist, gut einzufüllen.
Gemäß dem Verfahren, das im Patentdokument 4 beschrieben ist, wird eine leitende Paste, die ein Expansionsmittel enthält, beim Bilden einer Durchgangselektrode verwendet. Es ist jedoch schwierig, alle Hohlräume nur mit dem Expansionsmittel zu füllen. Insbesondere kann in dem Fall, bei dem die Durchgangselektrode dünn gemacht wird, die Durchgangselektrode nicht verdichtet werden.
Gemäß dem Patentdokument 5 ist ein Verfahren des Anordnens eines pulverförmigen leitenden Materials in jeweilige Durchgangslöcher eines Keramiksubstrats und des Füllens einer Glaspaste in diese offenbart. Es besteht jedoch eine Tendenz dahingehend, dass Risse oder ein Verzug aufgrund einer Differenz der Wärmeausdehnung der Keramik und des pulverförmigen leitenden Materials auftreten oder auftritt. Ferner wird es, wenn das Durchgangsloch kleiner ist, schwierig, das pulverförmige leitende Material anzuordnen.
Dokumente des Standes der Technik
(Patentdokumente)

(Patentdokument 1) Japanisches Patent Nr. 4154913 B
(Patentdokument 2) Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2013-165265 A
(Patentdokument 3) Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2015-065442 A
(Patentdokument 4) Japanische Patentveröffentlichung Nr. H09-046013 A
(Patentdokument 5) Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2015-119165 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei der Herstellung eines Verbindungssubstrats, das ein Keramiksubstrat und einen Durchgangsleiter aufweist, der in einem Durchgangsloch ausgebildet ist, die Wasserdichtigkeit des Durchgangslochs zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verbindungssubstrat bereit, das ein Keramiksubstrat mit einem Durchgangsloch darin und einen Durchgangsleiter umfasst, der in dem Durchgangsloch ausgebildet ist und eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist. Ferner umfasst der Durchgangsleiter einen porösen Metallkörper, der erste offene Poren, die mit der ersten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, und zweite offene Poren, die mit der zweiten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, umfasst, eine erste Glasphase, die in den ersten offenen Poren bereitgestellt ist, eine zweite Glasphase, die in den zweiten offenen Poren ausgebildet ist, erste Räume, die in den ersten offenen Poren bereitgestellt sind, und zweite Räume, die in den zweiten offenen Poren bereitgestellt sind. Die ersten Räume sind geschlossene Räume, die nicht mit der ersten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, und die zweiten Räume sind offene Räume, die mit der zweiten Hauptoberfläche in Verbindung stehen.
(Effekte der Erfindung)
Die Erfinder haben im Verlauf der Untersuchung der Wasserdichtigkeit des Durchgangsleiters die folgenden Erkenntnisse gewonnen. D.h., gemäß dem Stand der Technik wird eine Metallpaste in ein Durchgangsloch eines Keramiksubstrats zugeführt und dann gebrannt, so dass ein Durchgangsleiter erhalten wird. Ein solcher Durchgangsleiter weist eine Mikrostruktur auf, die als Ganzes einheitlich ist. Da die Dicke des Keramiksubstrats extrem gering wird, steht ein Teil der offenen Poren mit beiden Hauptoberflächen des Durchgangsleiters in Verbindung, was zu einem Austreten einer Spurenmenge an Flüssigkeit führt.
Dann haben die Erfinder Untersuchungen zur Verminderung der Anzahl von Poren in dem porösen Metallkörper durchgeführt, der den Durchgangsleiter bildet. Da die Anzahl der Poren des porösen Metallkörpers gering ist, besteht eine Tendenz dahingehend, dass an einer Grenzfläche zwischen dem Durchgangsleiter und der Keramik aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnungen eine Trennung auftritt, was zu einer Verschlechterung der Wasserdichtigkeit der getrennten Teile führt, an denen die Trennung stattfindet.
Dann haben sich die Erfinder auf die Mikrostruktur des porösen Metallkörpers konzentriert, der vorwiegend den Durchgangsleiter bildet. Der poröse Metallkörper umfasst erste offene Poren, die mit der ersten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, und zweite offene Poren, die mit der zweiten Hauptoberfläche in Verbindung stehen.
Dann hatten die Erfinder zum Verhindern der Trennung aufgrund der Differenz bei den Wärmeausdehnungen zwischen dem Durchgangsleiter und der Keramik die Idee, Glasphasen in den jeweiligen offenen Poren zu erzeugen und die Räume durch die Glasphasen in den ersten offenen Poren, die mit der ersten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, zu verstopfen, so dass die ersten offenen Poren in dem Durchgangsleiter vorwiegend eine Wasserdichtigkeit des Durchgangsleiters bereitstellen. Gleichzeitig werden auf der Seite der zweiten offenen Poren, die mit der zweiten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, die Räume nicht mit der Glasphase verstopft und die Räume stehen mit den zweiten offenen Poren in Verbindung. Es ist folglich möglich, die Wasserdichtigkeit des Durchgangsleiters selbst zu bewahren und die Trennung des Durchgangsleiters und der Keramik als Ganzes zu verhindern, was auch diesbezüglich zur Bewahrung der Wasserdichtigkeit führt.
Figurenliste

1(a) ist eine Draufsicht, die schematisch ein Keramiksubstrat 1 mit darin angeordneten Durchgangslöchern zeigt, und 1(b) ist eine Querschnittsansicht, die das Keramiksubstrat 1 zeigt.
2(a) zeigt den Zustand, bei dem eine Metallpaste 3 in die Durchgangslöcher des Keramiksubstrats 1 gefüllt ist, 2(b) zeigt den Zustand, bei dem die Metallpaste 3 gebrannt ist, so dass sie einen porösen Metallkörper 4 bildet, 2(c) zeigt den Zustand, bei dem eine Glasschicht 9 auf einer ersten Hauptoberfläche 1a des Keramiksubstrats 1 ausgebildet ist, und 2(d) zeigt den Zustand, bei dem die Glasschicht 9 entfernt ist.
3(a) ist eine Draufsicht, die schematisch ein Verbindungssubstrat 10 mit Durchgangsleitern 11 zeigt, die in Durchgangslöchern 2A ausgebildet sind, und 3(b) ist eine Querschnittsansicht, die das Verbindungssubstrat 10 zeigt.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine Struktur eines porösen Metallkörpers 4 zeigt, der in dem Durchgangsloch ausgebildet ist.
5 ist eine schematische Ansicht, die eine Glasphase 19, die in Durchgangslöcher 16A of des porösen Metallkörpers 4 imprägniert ist, und eine Glasschicht 18, die auf der ersten Hauptoberfläche 1a des Keramiksubstrats 1 ausgebildet ist, zeigt.
6 ist eine schematische Ansicht, die eine Struktur des Durchgangsleiters 11 nach dem Entfernen der Glassschicht zeigt.
7 ist eine vergrößerte Ansicht zum Veranschaulichen der Mikrostruktur des Durchgangsleiters.
8 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Testen der Wasserdichtigkeit.

Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird unter geeigneter Bezugnahme auf die Zeichnungen detaillierter beschrieben.
Es wird zuerst ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Keramiksubstrats der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie es in der 1 gezeigt ist, sind eine erste Hauptoberfläche 1a und eine zweite Hauptoberfläche 1b in einem Keramiksubstrat 1 bereitgestellt, und es sind viele Durchgangslöcher ausgebildet, die durch die Hauptflächen 1a und 1b hindurchtreten. Öffnungen 2a und 2b sind auf den Seiten der ersten Hauptoberfläche 1a bzw. der zweiten Hauptoberfläche 1b in dem Durchgangsloch 2 bereitgestellt.
Dann wird, wie es in der 2(a) gezeigt ist, eine Metallpaste 3 in die Öffnung 2 des Keramiksubstrats 1 gefüllt. Dann wird die Metallpaste 3 zum Brennen der Metallpaste erwärmt, so dass ein poröser Metallkörper 4 in dem Durchgangsloch 2 erzeugt wird, wie es in der 2(b) gezeigt ist. 5 stellt eine erste Hauptoberfläche des porösen Metallkörpers 4 dar und 6 stellt eine zweite Hauptoberfläche des porösen Metallkörpers dar.
Dann wird eine Glaspaste auf die erste Hauptoberfläche 1a des Keramiksubstrats 1 aufgebracht, so dass eine Glaspastenschicht erzeugt wird. In diesem Zustand wird die Glaspaste erwärmt und gebrannt, so dass das Glas darin geschmolzen wird. Dadurch wird, wie es in der 2(c) gezeigt ist, eine Glasschicht 9 auf der ersten Hauptfläche 1a des Keramiksubstrats 1 gebildet. Gleichzeitig wird das geschmolzene Glas unter Bildung von Glasphasen in offene Poren des porösen Metallkörpers imprägniert, wodurch ein Durchgangsleiter 7 in dem Durchgangsloch gebildet wird. Ferner stellt 8 eine erste Hauptoberfläche des Durchgangsleiters 7 dar.
Die Glasschicht 9 wird dann entfernt, so dass der Durchgangsleiter der Seite der ersten Hauptoberfläche des Keramiksubstrats ausgesetzt ist, so dass ein Verbindungssubstrat bereitgestellt wird. Dabei wird ferner vorzugsweise die erste Hauptoberfläche 1a des Keramiksubstrats 1 poliert, so dass eine polierte Oberfläche 1c erhalten wird, wodurch ein Verbindungssubstrat 10 erhalten wird, wie es in der 2(d) gezeigt ist.
Wie es in der 2(d) und den 3(a) und (b) gezeigt ist, ist in einem Keramiksubstrat 1A des Verbindungssubstrats 10 der Durchgangsleiter 11 in jedes der Durchgangslöcher 2A gefüllt. 11a stellt eine erste Hauptoberfläche des Durchgangsleiters 11 dar und 11b stellt eine zweite Hauptoberfläche des Durchgangsleiters 11 dar.
Wie es in der 2(b) gezeigt ist, wird die Metallpaste gebrannt, so dass der poröse Metallkörper 4 in dem Durchgangsloch 2 gebildet wird. Gemäß dem vorliegenden Beispiel erstreckt sich der poröse Metallkörper 4 von der ersten Hauptoberfläche 1a zu der zweiten Hauptoberfläche 1b des Keramiksubstrats 1. 5 stellt eine erste Hauptoberfläche und 6 eine zweite Hauptoberfläche des porösen Metallkörpers dar.
Wie es in der 4 gezeigt ist, ist der poröse Metallkörper 4 aus einer Metallmatrix 20 mit Poren 16A, 16B, 16C und 16D zusammengesetzt. Ferner wird in dem Fall, bei dem der Metallpaste eine Glaskomponente zugesetzt wird, ein Teil der Poren mit Glasphasen 17, 17A und 17B gefüllt. Die in der Matrix erzeugten Poren umfassen erste offene Poren 16A und 16D, die an der ersten Hauptoberfläche 5 geöffnet sind, zweite offene Poren 16B, die an der zweiten Hauptoberfläche 6 geöffnet sind, und geschlossene Poren 16C, die nicht an den Hauptoberflächen 5 und 6 geöffnet sind. Ferner sind die offenen Poren 16A an der ersten Hauptoberfläche 5 auf dem Querschnitt von 4 geöffnet. Im Gegensatz dazu sind die offenen Poren 16D nicht an der ersten Hauptfläche 5 auf dem Querschnitt von 4 geöffnet und sind an der ersten Hauptoberfläche 5 durch Wege geöffnet, die nicht in dem Querschnitt gezeigt sind. Die offenen Poren 16A und 16D werden so unterschieden.
Gemäß dem in der 4 gezeigten Zustand ist ein Teil von jeder der offenen Poren 16A, 16B, 16C und 16D mit der Glasphase 17, 17A oder 17B gefüllt und die verbleibenden Teile verbleiben als die Räume. Ein Raum 33 ist ein geschlossener Raum, der nicht mit den Hauptoberflächen in Verbindung steht, und ein Raum 32 ist ein geöffneter Raum, der an der zweiten Hauptoberfläche 6 geöffnet ist.
In dem Fall, bei dem das Keramiksubstrat einem Wasserdichtigkeitstest unterzogen wird, kann das Austreten von Wasser von der ersten Hauptoberfläche 1a zu der zweiten Hauptoberfläche 1b festgestellt werden. Die Gründe dafür werden wie folgt angenommen. Es wird vermutet, dass die ersten offenen Poren 16A, 16D, die mit der ersten Hauptoberfläche 5 in Verbindung stehen, und die zweiten offenen Poren 16B, die mit der zweiten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, teilweise miteinander in Verbindung stehen.
Andererseits wird, wie es in der 5 gezeigt ist, eine Glaspaste so aufgebracht, dass die offenen Poren 16A und 16D, die an der ersten Hauptoberfläche 5 geöffnet sind, damit bedeckt werden. In diesem Zustand wird die Glaspaste gebrannt, so dass eine Glasschicht 18 auf der ersten Hauptoberfläche 1a gebildet wird und gleichzeitig das geschmolzene Glas in die offenen Poren 16A und 16D imprägniert wird, so dass die Glasphasen 19 darin gebildet werden. In einem Teil der offenen Poren können gleichzeitig Glasphasen 17, die ursprünglich in den porösen Metallkörper einbezogen worden sind, und Glasphasen 19 vorliegen, die durch das Imprägnieren und das Brennen der Glaspaste erzeugt worden sind.
Dann wird durch Imprägnieren des geschmolzenen Glases von der Seite der ersten Hauptoberfläche her in die offenen Poren 16A und 16B des porösen Metallkörpers mindestens ein Teil der ersten offenen Poren auf der Seite der ersten Hauptoberfläche mit den Glasphasen 19 verstopft. Auf diese Weise verbleiben keine offenen Poren, die mit der ersten Hauptoberfläche 8 und der zweiten Hauptoberfläche 6 in Verbindung stehen, so dass die Wasserdichtigkeit beträchtlich verbessert werden kann.
In dem in der 5 gezeigten Zustand können jedoch beide Seiten des Keramiksubstrats 1 nicht durch den Durchgangsleiter 7 elektrisch leitend sein, da der poröse Metallkörper durch die Glasschicht 18 bedeckt ist. Folglich wird die unnötige Glasschicht 18 entfernt, wie es in der 6 gezeigt ist, so dass der Durchgangsleiter zu der Seite der ersten Hauptoberfläche hin freiliegt. Dabei kann die erste Hauptoberfläche des Keramiksubstrats vorzugsweise einem Polieren zur Bildung einer polierten Oberfläche unterzogen werden, so dass der Durchgangsleiter noch sicherer freigelegt werden kann und die freigelegte Oberfläche flach gemacht werden kann.
In diesem Zustand wird, wie es in der 6 gezeigt ist, eine polierte Oberfläche 1c in einem Keramiksubstrat 1A gebildet und die Dicke des Keramiksubstrats 1A wird kleiner gemacht als diejenige vor dem Polieren. Ferner wird der Durchgangsleiter 11 in dem Durchgangsloch 2A gebildet.
Wenn der Durchgangsleiter, der die in der 6 gezeigte Form aufweist, weiter analysiert wird, wird das Folgende gefunden. Der Mechanismus, durch den die Wasserdichtigkeit auftritt, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 7 beschrieben.
In der 7 stehen die ersten offenen Poren 16A und 16D mit der ersten Hauptoberfläche 11a des Durchgangsleiters in Verbindung. Ferner stehen die zweiten offenen Poren 16B mit der zweiten Hauptoberfläche 11b in Verbindung. 16C stellt offene Poren dar, die nicht mit beiden Hauptoberflächen 16A und 16B in Verbindung stehen. In den ersten offenen Poren 16A und 16D sind Glasphasen 17, die von der Metallpaste stammen, Glasphasen 19, die von dem Glas stammen, das danach imprägniert worden ist, und Räume 30, die nicht an der Hauptoberfläche 11a geöffnet sind, verblieben. Ferner sind in den offenen Poren 16C die Glasphasen 17A, die von der Metallpaste stammen, und Räume 33, die nicht an den Hauptoberflächen geöffnet sind, verblieben. Ferner sind in den zweiten offenen Poren 16B, die mit der zweiten Hauptoberfläche 11b in Verbindung stehen, die Glasphasen 17B, die von der Metallpaste stammen, Räume 32, die mit der Hauptoberfläche 11b in Verbindung stehen, und Räume 31, die nicht an den Hauptoberflächen 11a und 11b geöffnet sind, verblieben.
Dann werden die ersten Räume 30, die in den ersten offenen Poren 16A und 16B verblieben sind, durch die Glasphasen 17 und 19 verstopft, so dass geschlossene Räume bereitgestellt werden, die nicht mit der ersten Hauptoberfläche 11b in Verbindung stehen. Es ist folglich möglich, das Austreten von Flüssigkeit durch die ersten und zweiten offenen Poren zwischen den Hauptoberflächen zu verhindern. Gleichzeitig stellen die zweiten Räume 32 in den zweiten offenen Poren offene Räume bereit, die mit der zweiten Hauptoberfläche 11b in Verbindung stehen. Dadurch, dass solche Räume verbleiben, die mit der Hauptoberfläche in Verbindung stehen, kann eine Spannung zwischen der Keramik und dem Durchgangsleiter vermindert werden und das Austreten einer Flüssigkeit aufgrund einer Trennung des Durchgangsleiters von der Keramik kann verhindert werden.
Ferner wird gemäß den vorstehend beschriebenen Beispielen das geschmolzene Glas von der ersten Hauptoberfläche des Durchgangsleiters imprägniert, so dass die Glasphasen in den ersten offenen Poren erzeugt werden, so dass verhindert wird, dass die ersten Räume mit der ersten Hauptoberfläche in Verbindung stehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Herstellungsverfahren beschränkt. Beispielsweise können in dem Fall, bei dem die Metallpaste in das Durchgangsloch gefüllt wird, die Zusammensetzungen der Metallpasten in den oberen und unteren Hälften des Durchgangslochs verändert werden, so dass ein Durchgangsleiter mit der Mikrostruktur der vorliegenden Erfindung erzeugt werden kann.
Nachstehend werden die Bestandteile der vorliegenden Erfindung weiter beschrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt in dem Querschnitt des Durchgangsleiters der Anteil einer Fläche des porösen Metallkörpers 30 bis 70 Prozent. In dem Fall, bei dem der Anteil der Fläche des porösen Metallkörpers zu hoch ist, wird die Wärmespannung zwischen dem Durchgangsleiter und der Keramik erhöht. In dem Fall, bei dem der Anteil der Fläche zu gering ist, wird die Leitfähigkeit niedrig. Diesbezüglich wird der Anteil der Fläche des porösen Metallkörpers auf 30 bis 70 Prozent eingestellt und er kann vorzugsweise 40 bis 65 Prozent und mehr bevorzugt 45 bis 60 Prozent betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt in dem Querschnitt des Durchgangsleiters der Anteil (Gesamtwert) der Flächen der Glasphasen 10 bis 50 Prozent und mehr bevorzugt 20 bis 40 Prozent.
Ferner kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in dem Querschnitt des Durchgangsleiters der Gesamtwert der Anteil der Flächen der Räume vorzugsweise 5 bis 60 Prozent und mehr bevorzugt 5 bis 40 Prozent betragen.
Die Anteile der Flächen des porösen Metallkörpers, des Glases und der Räume werden durch Aufnehmen eines SEM (Rasterelektronenmikroskop)-Fotografiebilds (1000-fach) des Querschnitts des Durchgangsleiters gemessen. Durch Ändern der Farbtöne durch die SEM für die jeweiligen Materialien können die jeweiligen Materialien unterschieden werden. Danach wird der zu messende Leiterteil in Gitter aufgeteilt, die jeweils eine Größe von 5 µm für jede Seite aufweisen, und es wird festgelegt, welches Material die größte Fläche in jedem der Gitter einnimmt. Die Anzahl der Gitter mit dem festgelegten Material wird verglichen, so dass die Flächenanteile berechnet werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke des Keramiksubstrats 25 bis 150 µm und der Durchmesser W des Durchgangslochs beträgt 20 bis 60 µm. Die vorliegende Erfindung ist besonders gut für solche dünnen und kleinen Verbindungssubstrate geeignet.
Der Durchmesser W des Durchgangslochs, das in dem Keramiksubstrat ausgebildet ist, kann im Hinblick auf ein einfaches Formen mehr bevorzugt 25 µm oder mehr betragen. Der Abstand D der angrenzenden Durchgangslöcher (der Abstand zwischen Durchgangslöchern, die am nächsten beieinander liegen) kann im Hinblick auf das Verhindern eines Bruchs oder von Rissen vorzugsweise 50 µm oder mehr und mehr bevorzugt 100 µm oder mehr betragen. Ferner kann der Abstand D zwischen den angrenzenden Durchgangslöchern 2 im Hinblick auf die Verbesserung der Dichte der Durchgangslöcher vorzugsweise 1000 µm oder weniger und mehr bevorzugt 500 µm oder weniger betragen.
Das Verfahren zur Bildung der Durchgangslöcher in dem Keramiksubstrat ist nicht speziell beschränkt. Beispielsweise können die Durchgangslöcher dadurch gebildet werden, dass eine Grünlage des Keramiksubstrats einer Verarbeitung durch einen Laser oder einen Stift unterzogen wird. Alternativ wird ein Rohsubstrat, das aus einem Keramikmaterial hergestellt ist, erzeugt, und die Durchgangslöcher können durch Laserverarbeiten in dem Rohsubstrat gebildet werden. Als Laseroszillationsquelle können CO₂, YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), usw., verwendet werden.
Als Keramikmaterial, welches das Keramiksubstrat bildet, werden Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Yttriumoxid, YAG, Zirkoniumoxid und Aluminiumnitrid genannt. Von diesen ist Aluminiumoxid, insbesondere Aluminiumoxid mit einer hohen Reinheit von 99,9 Prozent oder höher, geeignet, da es einen hohen Young'schen Modul von 400 GPa oder höher aufweist, so dass die Stabilität der Form nach dem Dünnermachen hervorragend ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Metallpaste in das Durchgangsloch zugeführt und erwärmt, so dass der poröse Metallkörper erzeugt wird. Als Metall, das die Metallpaste vorwiegend bildet, können Ag, Au, Cu, Pd oder Gemische davon genannt werden. Ferner kann dem Metall zum Erzeugen einer Paste eine Glaskomponente zugesetzt werden. Eine solche Glaskomponente umfasst B₂O₃, SiO₂, ZnO, PbO, LiO₂, Na₂O, K₂O, MgO, CaO, SrO, BaO, Bi₂O₃, Al₂O₃, Gd₂O₃, Y₂O₃, La₂O₃, Yb₂O₃, TeO₂, V₂O₅ und P₂O₅.
Obwohl die Temperatur des Brennens der Metallpaste abhängig von der Art der Paste in einer geeigneten Weise ausgewählt wird, kann sie z.B. 500 bis 900 °C betragen.
Als nächstes wird die Glaspaste auf die erste Hauptoberfläche des porösen Metallkörpers aufgebracht und die Glaspaste wird in die offenen Poren des porösen Metallkörpers imprägniert. Die Glaspaste kann dabei auf die gesamte erste Hauptoberfläche des Keramiksubstrats aufgebracht werden. Alternativ kann die Glaspaste nur auf die erste Hauptoberfläche des porösen Metallkörpers aufgebracht werden und die Glaspaste wird nicht auf den verbleibenden Teil der Oberfläche des Keramiksubstrats aufgebracht, und zwar mittels Siebdruck oder dergleichen.
Die Glaspaste wird dann durch Erwärmen geschmolzen, so dass die Glasschicht auf der Hauptoberfläche des porösen Metallkörpers gebildet wird, und das geschmolzene Glas wird in die offenen Poren imprägniert, so dass die Glasphasen gebildet werden. Obwohl die Temperatur des Brennens der Glaspaste abhängig von der Art der Paste ausgewählt wird, kann sie z.B. 500 bis 900 °C betragen.
Dann wird mindestens die Glasschicht auf dem porösen Metallkörper entfernt, so dass ein Verbindungssubstrat erhalten wird, welches das Keramiksubstrat und Durchgangsleiter aufweist, die in den Durchgangslöchern bereitgestellt sind. In diesem Zustand wird, obwohl es ausreichend ist, dass mindestens die Glasschicht entfernt wird, um den Durchgangsleiter freizulegen, die erste Hauptoberfläche des Keramiksubstrats vorzugsweise poliert. Dann werden vorgegebene Verdrahtungen, Kontaktstellen oder dergleichen auf jeder der Hauptoberflächen 11a und 11a des Keramiksubstrats ausgebildet. Ferner wird aus dem Keramiksubstrat eine integrierte Relaisplatine ausgebildet.
Das Keramiksubstrat wird vorzugsweise einem Präzisionspolieren unterzogen. Als ein solches Präzisionspolieren wird im Allgemeinen ein CMP (chemisch-mechanisches Polieren) eingesetzt. Als Polieraufschlämmung für ein CMP wird eine Aufschlämmung verwendet, die eine alkalische oder neutrale Lösung mit dispergierten Schleifmitteln umfasst, die eine Teilchengröße von 30 nm bis 200 nm aufweisen. Als Materialien der Schleifmittel werden Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Diamant, Zirkoniumoxid und Ceroxid angegeben und diese können allein oder in einer Kombination verwendet werden. Ferner kann als Polierkissen ein hartes Urethankissen, ein Vlieskissen oder ein Velourskissen genannt werden.
BEISPIELE
(Beispiel 1)
Verbindungssubstrate wurden so hergestellt, wie es unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben worden ist.
Insbesondere wurde eine Aufschlämmung durch Mischen der folgenden Komponenten erzeugt.
(Pulverförmiges Ausgangsmaterial)
α-Aluminiumoxidpulver mit einer spezifischen Oberfläche von 3,5 bis 4,5 m²/g und einer durchschnittlichen Primärteilchengröße von 0,35 bis 0,45 µm

(Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 99,99 Prozent) 100 Massenteile

MgO (Magnesiumoxid) 250 ppm

ZrO₂ (Zirkoniumoxid) 400 ppm

Y₂O₃ (Yttriumoxid) 15 ppm

(Dispergiermedium)

2-Ethylhexanol 45 Gewichtsteile

(Bindemittel)

PVB (Polyvinylbutyral)-Harz 4 Gewichtsteile

(Dispergiermittel)

Hochmolekulares grenzflächenaktives Mittel 3 Gewichtsprozent

(Weichmacher)

DOP 0,1 Gewichtsteile
Die Aufschlämmung wurde dann durch ein Rakelverfahren zu einem Band bis zu einer Dicke geformt, die einer Dicke nach dem Sintern von 300 µm entsprach, und das Band wurde in quadratische Stücke mit jeweiligen Größen geschnitten, die einer Länge von 100 mm und einer Breite von 100 mm nach dem Sintern entsprachen. Der so erhaltene Pulverformkörper wurde an der Luft bei 1240 °C kalziniert (Vorsintern). Der kalzinierte Körper wurde dann auf einer aus Molybdän hergestellten Platte angebracht und dann durch Halten unter einer Atmosphäre aus Wasserstoff 3: Stickstoff 1 bei einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von 50 °C/Stunde von 1300 °C bis 1550 °C und einer Haltezeit von 2,5 Stunden bei 1550 °C gesintert, wobei ein Rohsubstrat bereitgestellt wurde.

Das Rohsubstrat wurde einer Laserverarbeitung unter den folgenden Bedingungen zur Bildung von Durchgangslöchern mit den folgenden Abmessungen unterzogen.

CO₂-Laser: Wellenlänge	10,6 µm
Puls: 1000 Hz - Einschaltdauer	5 µs
Lasermaskengröße:	0,9 mm
Anzahl der Bestrahlungsvorgänge:	40
Größe W des Durchgangslochs:	Obere Oberfläche 0,06 mm, untere Oberfläche 0,02 mm
Abstand D des Durchgangslochs:	0,12 mm
Anzahl der Durchgangslöcher:	30000/Einheit

Dann wurde während der Laserverarbeitung Schlacke, die auf der Substratoberfläche haftete, durch Schleifen mit einem Schleifgerät entfernt und das Substrat wurde dann einem Glühen an der Luft bei 1300 °C für 5 Stunden unterzogen, so dass ein Keramiksubstrat mit einer Dicke von 200 µm erhalten wurde.
Dann wurde ein einbettendes Drucken einer Ag-Pd-Paste in die Durchgangslöcher des Keramiksubstrats unter den folgenden Bedingungen durchgeführt und die Paste wurde getrocknet und dann gebrannt, so dass Durchgangsleiter gebildet wurden.

(Ag-Pd-Paste)
Konzentration des Feststoffgehalts: 95 Gewichtsprozent
Zusammensetzung des Feststoffgehalts: Ag:Pd:Glasfritte = 91:3:6 (Gewichtsverhältnis)
Viskosität: 200 Pa · s

(Druckbedingungen)

Maske: nicht verwendet (die Paste wird direkt auf das Substrat aufgebracht und eine Quetschwalze wird zum Drücken der Paste in die Durchgangslöcher verwendet)
Quetschwinkel: 20°
Quetschgeschwindigkeit: 5 mm/s
Anzahl der Quetschvorgänge: 10

(Trocknungsbedingung)

95 °C × 30 Minuten
(Sinterbedingung)
600 °C × 40 Minuten

Die Glaspaste wurde so auf auf eine erste Oberfläche des Substrats aufgebracht, dass die Durchgangslöcher bedeckt wurden, und unter den folgenden Bedingungen gebrannt und geschmolzen, so dass das Glas in die Poren innerhalb des Leiters imprägniert wurde.
(Glaspaste)

Konzentration des Feststoffgehalts: 95 Gewichtsprozent
Glaszusammensetzung: Bi-Zn-B-Reihe
Viskosität: 50 Pa · s

(Druckbedingung)

Maske: #360 Gitter, Dicke 30 µm
Quetschwinkel: 70°
Quetschgeschwindigkeit: 5 mm/s
Anzahl der Quetschvorgänge: 1

(Trocknungsbedingung)

95 °C × 30 Minuten
(Schmelz- und Imprägnierbedingung)
570 °C × 3 Stunden

Die Glasschicht, die auf der Oberfläche verblieb, wurde dann durch Polieren entfernt, so dass ein Verbindungssubstrat erhalten wurde. Insbesondere wurde das Substrat einem Schleifen durch ein Schleifgerät unterzogen, wobei das Substrat auf einer Aluminiumoxidpaste angebracht war. Beide Oberflächen des Substrats wurden einem Läppen mit einer Diamantaufschlämmung unterzogen. Die Korngröße des Diamants betrug 3 µm. Schließlich wurde eine CMP-Verarbeitung durch SiO₂- und Diamantschleifmittel durchgeführt. Danach wurde das Substrat von der Aluminiumoxidplatte getrennt, die vorstehend beschriebene Verarbeitung wurde auf der Hauptoberfläche auf der gegenüberliegenden Seite durchgeführt und es wurde ein Reinigen durchgeführt, so dass das Verbindungssubstrat erhalten wurde.
Bezüglich des so erhaltenen Verbindungssubstrats wurde der Querschnitt des Durchgangsleiters untersucht. Als Ergebnis wurde, wie es in der in der 7 gezeigten schematischen Ansicht gezeigt ist, bestätigt, dass erste Glasphasen in den ersten offenen Poren ausgebildet worden sind, zweite Glasphasen in den zweiten offenen Poren ausgebildet worden sind, erste Räume in den ersten offenen Poren bereitgestellt worden sind und zweite Räume in den ersten offenen Poren bereitgestellt worden sind. Ferner wurden Räume in den geschlossenen Poren bestätigt. Ferner ergab eine Zählung der Anzahl der ersten Räume in den ersten offenen Poren, die zu der Hauptoberfläche 11a hin offen waren, Null. Ferner ergab eine Zählung der Anzahl der zweiten Räume in den zweiten offenen Poren, die zu der Hauptoberfläche 11b hin offen waren, 6.

Anteil der Fläche des porösen Metallkörpers im Querschnitt des Durchgangsleiters: 60 Prozent
Anteil (Gesamt) der Flächen von Glasphasen im Querschnitt des Durchgangsleiters: 30 Prozent

Die Wasserdichtigkeit des Durchgangsleiters des so erhaltenen Verbindungssubstrats wurde durch das Verfahren bestätigt, das unter Bezugnahme auf die 8 beschrieben wird.
D.h., eine poröse Platte 21 wurde auf einem Tisch 22 angebracht, ein staubfreies Papier 23 wurde auf dem Tisch 22 befestigt und eine Probe 24 des Keramiksubstrats wurde darauf bereitgestellt. Wasser 26 wurde auf die Durchgangslöcher des Keramiksubstrats 24 getropft und Wasser wurde bei -80 kPa gemäß dem Pfeil A angesaugt. Es wurde dann bestätigt, ob der Wassergehalt an dem staubfreien Papier haftete oder nicht.
Als Ergebnis zeigte sich, dass die Anzahl der Durchgangsleiter, bei denen ein Austreten von Flüssigkeit festgestellt wurde, eins betrug, und zwar in Bezug auf eine Anzahl von 30000 Durchgangsleitern, die in dem einzelnen Keramiksubstrat bereitgestellt sind.
(Beispiele 2 bis 7)
Verbindungssubstrate wurden wie im Beispiel 1 hergestellt.
Der Anteil der Fläche des porösen Metallkörpers und der Anteil (Gesamt) der Flächen der Glasphasen in dem Querschnitt des Durchgangsleiters wurden jedoch so geändert, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist. Zum Ändern dieser Parameter wurden die Konzentration des Feststoffgehalts der Ag-Pd-Paste, die Anteile von Ag, Pd und der Glasfritte, die Sintertemperatur und Temperaturen und Haltezeiten während des Schmelzens und Imprägnierens der Glaspaste verändert.

Dann wurde bezüglich der so erhaltenen Keramiksubstrate die Anzahl der Durchgangsleiter, bei denen ein Austreten von Flüssigkeit festgestellt wurde und in der Tabelle 1 gezeigt ist, bei 30000 Durchgangsleitern, die in einem einzelnen Keramiksubstrat bereitgestellt sind, gemessen. Tabelle 1

	Bsp. 1	Bsp. 2	Bsp. 3	Bsp. 4	Bsp. 5	Bsp. 6	Bsp. 7	Vgl.-Bsp. 1
Anzahl von ersten Räumen in ersten offenen Poren, die an der Hauptoberfläche 11a geöffnet sind (Anzahl)	0	0	0	0	0	0	0	5
Anzahl von zweiten Räumen in zweiten offenen Poren, die an der Hauptoberfläche 11b geöffnet sind (Anzahl)	6	5	8	5	6	9	10	6
Anteil der Fläche des porösen Metallkörpers im Querschnitt des Durchgangsleiters (%)	60%	70%	30%	65%	65%	40%	30%	60%
Gesamtanteile der Flächen von Glasphasen im Querschnitt des Durchgangsleiters (%)	30%	10%	50%	20%	20%	10%	20%	20%
Anzahl von Durchgangsleitern, bei denen ein Austreten von Flüssigkeit festgestellt worden ist (Anzahl)	1	3	5	3	1	7	10	Alle

(Vergleichsbeispiel 1)
Eine Ag-Paste wurde in die jeweiligen Durchgangslöcher des Keramiksubstrats wie im Beispiel 1 eingebettet. Die verwendete Ag-Paste war mit derjenigen identisch, die im Beispiel 1 verwendet worden ist. Danach wurde das Sintern bei 700 °C durchgeführt, so dass jeweils poröse Metallkörper in den Durchgangslöchern gebildet wurden.
Dann wurden beide Hauptflächen des Keramiksubstrats einem Präzisionspolieren unterzogen, ohne den Schritt des Druckens der Glaspaste auf die erste Hauptfläche des Keramiksubstrats durchzuführen. Auf diese Weise wurde ein Verbindungssubstrat erhalten.
Der Querschnitt des Durchkontaktierungsteils des so erzeugten Substrats wurde untersucht, wobei bestätigt wurde, dass Räume in der Gesamtheit der Durchkontaktierungsteile einheitlich verblieben sind. D.h., die jeweiligen Parameter, welche die Mikrostruktur wiedergeben, waren wie folgt.

Anzahl von ersten Räumen in ersten offenen Poren, die an der Hauptoberfläche 11a geöffnet sind: 5
Anzahl von zweiten Räumen in zweiten offenen Poren, die an der Hauptoberfläche 11b geöffnet sind: 6
Anteil der Fläche des porösen Metallkörpers im Querschnitt des Durchgangsleiters: 60 Prozent Anteil (Gesamt) von Flächen von Glasphasen im Querschnitt des Durchgangsleiters: 20 Prozent

Anschließend wurde der Wasserdichtigkeitstest wie im Beispiel 1 durchgeführt. Als Ergebnis wurde das Austreten von Flüssigkeit in im Wesentlichen allen 30000 Durchgangsleitern festgestellt, die in dem einzelnen Keramiksubstrat bereitgestellt waren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4154913 B [0009]

Claims

Verbindungssubstrat, das ein Keramiksubstrat mit einem Durchgangsloch darin und einen Durchgangsleiter umfasst, der in dem Durchgangsloch ausgebildet ist und eine erste Hauptoberfläche und eine zweite Hauptoberfläche aufweist, wobei der Durchgangsleiter umfasst: einen porösen Metallkörper, der erste offene Poren, die mit der ersten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, und zweite offene Poren, die mit der zweiten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, umfasst, erste Glasphasen, die jeweils in den ersten offenen Poren bereitgestellt sind, zweite Glasphasen, die jeweils in den zweiten offenen Poren ausgebildet sind, erste Räume, die jeweils in den ersten offenen Poren bereitgestellt sind, und zweite Räume, die jeweils in den zweiten offenen Poren bereitgestellt sind, wobei die ersten Räume geschlossene Räume umfassen, die nicht mit der ersten Hauptoberfläche in Verbindung stehen, und wobei die zweiten Räume offene Räume umfassen, die mit der zweiten Hauptoberfläche in Verbindung stehen.
Verbindungssubstrat nach Anspruch 1, wobei der poröse Metallkörper einen Anteil einer Fläche von 30 bis 70 Prozent in einem Querschnitt des Durchgangsleiters aufweist.
Verbindungssubstrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei der poröse Metallkörper geschlossene Poren umfasst, und wobei das Verbindungssubstrat ferner dritte Glasphasen umfasst, die jeweils in den geschlossenen Poren vorliegen.
Verbindungssubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Keramiksubstrat eine Dicke von 25 bis 150 µm aufweist und wobei jedes der Durchgangslöcher einen Durchmesser von 20 bis 60 µm aufweist.