DE19957517C1

DE19957517C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Durchbrüchen in grünen Keramikfolien

Info

Publication number: DE19957517C1
Application number: DE19957517A
Authority: DE
Inventors: Juergen Zaremba; Walter Zein; Wolfgang Jacob; Ralf Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2019-12-01
Also published as: US6706236B2; US20020030306A1; JP2001205614A

Abstract

Um zur Herstellung von Durchkontaktierungen benötigte Durchbrüche in grüne Keramikfolien einzubringen, wird vorgeschlagen, daß die Durchbrüche mittels eines gegenüber Atmosphärendruck unter erhöhten Druck stehenden Gases hergestellt werden, welches impulsartig aus einem Druckbehältnis ausgestoßen wird und dabei auf eine Hauptoberfläche einer grünen Keramikfolie an wenigstens einer zur Einbringung eines Durchbruches vorgesehenen Stelle derart einwirkt, daß an dieser Stelle Material aus der grünen Keramikfolie herausgeschossen wird. Auf diese Weise können die mit der Verwendung von Stempeln zum Stanzen von Durchbrüchen verbundenen Nachteile beseitigt werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Durchbrüchen in grünen Keramikfolien sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Keramische Mehrlagensubstrate, wie beispielsweise LTCC- Keramiksubstrate (Low Temperatur Cofired Ceramics) werden bekanntlich aus einem Stapel grüner Keramikfolien, sogenann ter "ceramic green sheets" hergestellt. Als grüne Keramikfo lien werden dabei ungebrannte Keramikfolien im Rohzustand bezeichnet, welche in bestimmten Grenzen biegsam und ver formbar sind. Die grünen Keramikfolien werden vor dem Sta peln mit Durchbrüchen versehen und anschließend zur Herstel lung von Leiterbahnen im Siebdruckverfahren mit Leitpaste bedruckt. Die Leitpaste dringt dabei auch in die Durchbrüche ein, wodurch elektrische Durchkontaktierungen, sogenannte Vias entstehen, welche später die verschiedenen Schaltungs lagen des fertigen Mehrlagensubstrats untereinander verbin den. Nach dem Bedrucken werden die Keramikfolien getrocknet, gestapelt, laminiert und gebrannt.

Die Durchbrüche in den grünen Keramikfolien werden üblicher weise durch Stanzen hergestellt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der Druckschrift JP-11058297 A bekannt.

Hierzu wird die zu bearbeitende grüne Keramikfolie auf eine mit Ausnehmungen versehene Trägerplatte aufgelegt. Anschlie ßend werden in konventioneller Weise mit einem Stempel an den vorgegebenen Stellen Durchbrüche in die grüne Keramikfo lie gestanzt. Der Stempel wird beispielsweise aus Wolfram gefertigt. Das am Ort der Durchbrüche ausgestanzte Material wird dabei als Stanzabfall von der Werkzeugspitze des Stem pels durch die Ausnehmung der Trägerplatte hindurch in einen Aufnahmeraum befördert und dort mit Preßluft von der Stem pelspitze abgeblasen. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, daß die Stempel großen mechanischen Belastungen ausge setzt sind und deshalb schnell verschleißen. Dieser Nachteil wird noch dadurch verschlimmert, daß oft sehr kleine Durch brüche mit einem kreisförmigen Durchmesser von beispielswei se 0,5 mm in die grünen Keramikfolien gestanzt werden müs sen. Nicht selten kommt es hierbei zum Stempelbruch. Ein weiterer Nachteil resultiert daraus, daß trotz der aufwendi gen Entfernung der Stanzabfälle mittels Preßluft nicht immer sicher gestellt werden kann, daß der auf die Keramikfolien einwirkende Abschnitt der Stempelspitze auch frei von Stanz abfällen ist. Diese haften oft an der Stempelspitze und sind nur schwer zu entfernen. Beschädigungen der Keramikfolie und Abweichungen von der angestrebten Form der Durchbrüche kön nen deshalb nicht ausgeschlossen werden.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Anspruch 1 der Anmeldung werden die im Stand der Technik bekannten Nachtei le vermieden. Dadurch, daß auf die Verwendung eines Stempels zum Stanzen der Durchbrüche verzichtet wird, können die aus dem Wechsel eines schadhaften Stempels resultierenden Rüst zeiten und Kosten eingespart werden. Erfindungsgemäß werden die Durchbrüche mittels eines gegenüber Atmosphärendruck un ter erhöhtem Druck stehenden Gases hergestellt, welches im pulsartig aus einem Druckbehältnis ausgestoßen wird und da bei auf die grüne Keramikfolie an wenigstens einer zur Ein bringung eines Durchbruchs vorgesehenen Stelle derart ein wirkt, daß das ausgestoßene Gas an dieser Stelle Material aus der grünen Keramikfolie herausschießt. Materialermüdun gen und Verschleißerscheinungen, wie sie bei Verwendung eines Stempels auftreten, können so vermieden werden. Aus einem Stempelbruch resultierende Beschädigungen der grünen Keramikfolien und der Trägerplatte können ausgeschlossen werden. Besonders vorteilhaft ist außerdem, daß das seitli che Abblasen und Reinigen der Stempelspitze entfallen kann. Aus den genannten Gründen können die Kosten bei der Herstel lung von mehrlagigen Keramiksubstraten deutlich gesenkt wer den.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 2 gekennzeich net. Vorteilhafte Ausführungen der Vorrichtung werden durch die Merkmale der sich an den Anspruch 2 anschließenden Un teransprüche ermöglicht.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Ein bringung von Durchbrüchen in grüne Keramikfolien.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Einbringung von Durchbrüchen in grüne Keramikfolien. Grüne Keramikfolien sind ungebrannte keramische Folien, welche aus einem sinterbaren glaskeramischen Material bestehen. Die ungebrannten Folien sind in gewissen Grenzen verformbar und biegsam, brechen oder reißen aber recht schnell bei starken mechanischen Belastun gen, wie sie beispielsweise beim Falten auftreten. Es ist allgemein bekannt, in der LTCC-Fertigung grüne Keramikfolien mit Durchbrüchen zu versehen, und anschließend im Siebdruck verfahren mit Leitpaste Leiterbahnen auf die Keramikfolien aufzudrucken, wobei auch in die Durchbrüche Leitpaste einge bracht wird. Die Durchbrüche weisen in der Regel einen kreis förmigen Querschnitt auf, prinzipiell sind aber auch andere Querschnitte denkbar. Auf diese Weise werden in den grünen Keramikfolien Durchkontaktierungen oder Vias erzeugt, welche die verschiedenen Leiterbahnebenen des fertigen Mehrlagensub strats elektrisch miteinander verbinden sollen. Die mit Lei terbahnen und Vias versehenen Keramikfolien werden anschlie ßend gestapelt, laminiert und in einem Sinterofen gebrannt. Die Herstellung erfolgt vorzugsweise in einer automatischen Linienfertigung. Die Präzision der in den Keramikfolien er zeugten Durchbrüche ist von großer Bedeutung, da Fehlausrich tungen der Durchkontaktierungen beim Stapeln zu einem mangel haften elektrischen Kontakt zwischen den Leiterbahnebenen führen können.

Zur Einbringung der Durchbrüche wird folgendermaßen verfah ren. Zunächst wird eine grüne Keramikfolie 1 einer Bearbei tungsstation zugeführt und gelangt dort mit der unteren Hauptoberfläche 1b auf der Oberseite 18 einer Trägerplatte 2 zur Anlage. Dies kann vorzugsweise mit automatischen Trans portmitteln in einer Linienfertigung durchgeführt werden. In bekannter Weise kann die grüne Keramikfolie 1 auf der Träger platte justiert ausgerichtet werden. Die Trägerplatte 2 weist an mehreren Stellen Aussparungen 12 auf, in die Schnittbuch sen 3 eingesetzt sind. Von diesen Buchsen ist in Fig. 1 der Einfachheit halber nur eine dargestellt. Die Schnittbuchse 3 und die Trägerplatte 2 sind vorzugsweise aus Metall gefer tigt. Die Oberseite der Schnittbuchse 3 schließt mit der Oberseite der Trägerplatte 2 bündig ab. Jede Schnittbuchse 3 weist eine durchgehende Ausnehmung 13 auf, wobei die Innen wandung 13a der Ausnehmung 13 mit der Oberseite 18 der Trä gerplatte 2 eine umlaufende, kreisförmige, scharfe Schnitt kante 15 ausbildet, deren Durchmesser dem Durchmesser des an dieser Stelle in der grünen Keramikfolie 1 herzustellenden Durchbruchs entspricht.

Die Bearbeitungsstation umfaßt weiterhin ein Druckbehältnis, welches mit einem gegenüber Atmosphärendruck unter erhöhten Druck stehenden Gas gefüllt ist. Das Druckbehältnis umfaßt in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wenigstens ein Hoch druckventil 4, welches einen Einlaß 6 aufweist, der an eine nicht dargestellte Hochdruckleitung angeschlossen ist. Das andere Ende der Hochdruckleitung kann beispielsweise an einen Kompressor oder eine Preßluftflasche angeschlossen werden. Das Hochdruckventil 4 ist beweglich und kann beispielsweise von einer Steuereinrichtung an eine zur Einbringung eines Durchbruchs vorgesehene Stelle der grünen Keramikfolie bewegt und dort auf die von der Trägerplatte 2 abgewandte Hauptober fläche 1a der Keramikfolie abgesenkt werden. Wie in der Figur dargestellt ist, mündet der Einlaß 6 in einen Druckraum 9, welcher einen Auslaßkanal 8 aufweist. Der Auslaßkanal 8 er streckt sich senkrecht nach unten und weist an seinem unteren Ende eine kreisförmige Öffnung auf, die von einer ringförmi gen Fläche 19 umgeben ist, welche parallel zu der grünen Ke ramikfolie 1 ausgerichtet ist. Auf die ringförmige Fläche 19 ist eine ringförmige Dichtung 7 aufgebracht. Beim Absenken des Hochdruckventils 4 gelangt die ringförmige Dichtung 7 auf der Hauptoberfläche 1a der Keramikfolie 1 zur Anlage. Weiter hin ist in dem Druckraum 9 ein axial bewegliches Ventilglied 5 vorgesehen. Im geschlossenen Zustand des Hochdruckventils 4 liegt das Ventilglied 5 an einem Ventilsitz 11 an, wodurch der Auslaßkanal 8 verschlossen wird. Wird das Ventilglied 5 in Pfeilrichtung nach oben bewegt, so wird das in dem Druck raum 9 enthaltene unter Druck stehende Gas durch den Auslaß kanal 8 ausgestoßen. Durch anschließendes Absenken des Ven tilgliedes 5 wird der Auslaßkanal 8 wieder verschlossen. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Gas impulsartig aus dem Auslaßkanal 8 ausgestoßen wird. Als Gas kann beispielsweise Luft verwandt werden.

Wie in der Figur gut zu erkennen ist, wirkt der Druckimpuls des aus dem Auslaßkanal 8 ausgestoßenen Gases auf die Haupto berfläche 1a der Keramikfolie 1 ein, so daß ein scheibenför miger Abschnitt 17 aus der Keramikfolie herausgeschossen wird und ein Durchbruch 16 entsteht. Der aus der Keramikfolie 1 entfernte Abschnitt 17 gelangt durch die Ausnehmung 13 der Trägerplatte 2 nach außen und kann unter der Trägerplatte 2 aufgefangen werden. Nach unten hin erweitert sich der Durch messer der Ausnehmung in der Schnittbuchse, so daß der Mate rialabschnitt 17 leicht aus der unteren Öffnung der Schnitt buchse herausgeblasen werden kann. Die Schnittbuchsen können somit nicht verstopfen und stehen erneut zur Einbringung von Durchbrüchen zur Verfügung. Die Schnittkante 15 bestimmt die Form und Größe des Durchbruchs 16. Obwohl die Durchbrüche in der Regel kreisförmig sind, können natürlich auch beliebige anders geformte Durchbrüche hergestellt werden. In diesem Fall wird lediglich eine Schnittbuchse mit einer anders ge formten Schnittkante 15 verwandt. Vorteilhaft können die Schnittbuchsen 3 in der Trägerplatte 2 ausgetauscht werden, fall diese einmal abgenutzt oder schadhaft sind oder falls die Form oder der Durchmesser der Durchbrüche verändert wer den soll. Nach der Herstellung des Durchbruchs 16 wird das Hochdruckventil 4 wieder angehoben und an eine weitere zur Herstellung eines Durchbruchs vorgesehene Stelle der grünen Keramikfolie 1 verfahren. Die dort vorhandene Schnittbuchse kann dann eine Ausnehmung 13 mit einem anderen oder dem glei chen Durchmesser aufweisen.

In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Auslaßkanals 8 und der Dichtung 19 an den Durchmesser der Schnittkante 15 der Schnittbuchse 3 angepaßt. Es ist aber auch möglich, Hochdruckventile 4 zu verwenden, bei denen der Durchmesser des Auslaßkanals 8 größer ist als der Durchmesser der Schnittkante 15. Darüber hinaus kann auch auf die Dich tung 19 verzichtet werden. Da die grünen Keramikfolien 1 leicht brüchig und spröde sind, kann der Durchbruch 16 auch dann hergestellt werden, falls Gas durch einen vorhandenen Spalt zwischen der Fläche 19 und der Hauptoberfläche 1a der grünen Keramikfolie entweichen kann. Durch den impulsartigen Ausstoß des unter Druck stehenden Gases wird dann dennoch er reicht, daß der Abschnitt 17 aus der Keramikfolie 1 herausge schossen wird.

In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Träger platte 2 verwandt, welche an den für die Einbringung von Durchbrüchen 16 vorgesehenen Stellen jeweils eine mit einer Ausnehmung 13 versehene Schnittbuchse 3 aufweist. Das Hoch druckventil 4 wird zu den für die Einbringung eine Durch bruchs vorgesehenen Stellen verfahren. Es ist aber auch mög lich, das Hochdruckventil unbeweglich auszugestalten und statt dessen die Trägerplatte 2 mit der darauf angeordneten Keramikfolie 1 zu verfahren. Weiterhin ist auch denkbar, nur die Keramikfolie 1 auf der Trägerplatte zu verschieben, so daß ein und die gleiche Schnittbuchse zur Herstellung mehre rer Durchbrüche verwandt werden kann. Weiterhin ist auch mög lich, die grüne Keramikfolie durch mehrere Bearbeitungssta tionen zu befördern, wobei jede der Stationen eine mit einer unterschiedlichen Anordnung von Schnittbuchsen versehene Trä gerplatte aufweist. Natürlich ist es auch möglich, die Aus nehmungen 13 unter Verzicht auf die Schnittbuchsen direkt in die Trägerplatte 2 einzubringen. So kann beispielsweise eine Trägerplatte mit einer matrixförmigen Anordnung der Ausneh mungen 13 verwandt werden. In Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen werden gezielt einige der Ausnehmungen 13 von dem Hochdruckventil 4 angesteuert. Wenn bei der nächsten grü nen Keramikfolie die Durchbrüche an anderen Stellen herge stellt werden sollen, so werden dann andere Ausnehmungen 13 der Trägerplatte mit dem Hochdruckventil 4 angesteuert. Wei terhin ist es auch möglich, mehrere Auslaßkanäle 8 in einem Hochdruckventil vorzusehen, die alle mittels einer Ventil schieberplatte gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden oder mehrere Hochdruckventile gleichzeitig in einer Bearbei tungsstation zu verwenden. Auch ist denkbar, mehrere grüne Keramikfolien gleichzeitig einer Bearbeitungsstation zuzufüh ren und mit Durchbrüchen zu versehen.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Einbringung von Durchbrüchen in grüne Keramikfolien mittels eines impulsartig ausgestoßenen Gases in einer oder mehreren Bearbeitungssta tionen recht flexibel eingesetzt werden kann, um dem jeweili gen Anwendungsfall gerecht zu werden.

Claims

1. Verfahren zur Einbringung von Durchbrüchen in grüne Kera mikfolien, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (16) mittels eines gegenüber Atmosphärendruck unter erhöhtem Druck stehenden Gases hergestellt werden, welches impulsar tig aus einem Druckbehältnis (4) ausgestoßen wird und dabei auf eine Hauptoberfläche (1a) einer grünen Keramikfolie (1) an wenigstens einer zur Einbringung eines Durchbruchs (16) vorgesehenen Stelle derart einwirkt, daß an dieser Stelle Material (17) aus der grünen Keramikfolie (1) herausgeschos sen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerplatte (2) zur Auflage einer grünen Keramikfolie (1) vorgesehen ist, welche an den für die Einbringung von Durchbrüchen (16) vorgesehe nen Stellen jeweils mit einer Ausnehmung (13) versehen ist, deren Durchmesser dem Durchmesser des an dieser Stelle in der grünen Keramikfolie (1) herzustellenden Durchbruchs (16) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandungen der Ausnehmungen (13) der Trägerplatte (2) und die der grünen Keramikfolie (1) zugewandte Auflage fläche (18) der Trägerplatte (2) jeweils eine umlaufende Schnittkante (15) bilden, deren Durchmesser dem Durchmesser des an dieser Stelle in der grünen Keramikfolie (1) herzu stellenden Durchbruchs (16) entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Ausnehmungen (13) in Schnittbuchsen (3) ange ordnet sind, welche Schnittbuchsen (3) in Aussparungen (12) der Trägerplatte (2) festgelegt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der grünen Keramikfolie (1) zugewandte Seite der Schnittbuchsen (3) bündig mit der Auflagefläche (18) der Trägerplatte (2) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckbehältnis mit wenigstens einem Hochdruckventil (4) vorgesehen ist, das einen Ventilkörper (14) umfaßt, der ei nen mit einer Hochdruckzuleitung koppelbaren Einlaß (6) auf weist, der in einen mit einem gegenüber Atmosphärendruck un ter Druck stehenden Gas gefüllten Druckraum (9) mündet, und wenigstens einen mit dem Druckraum (9) verbundenen Auslaßka nal (8) aufweist, welcher durch ein in dem Druckraum (9) an geordnetes bewegliches Ventilglied (5) verschlossen und ge öffnet werden kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Relativbewegung zwischen dem Hochdruckventil (4) und der mit der Keramikfolie (1) versehenen Trägerplatte (2) das Hochdruckventil (2) an eine zur Einbringung eines Durch bruchs vorgegebene Position der Keramikfolie (1) bewegbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckventil (4) auf die Keramikfolie (1) derart ab senkbar ist, daß das äußere Ende des Auslaßkanals (8) auf die von der Trägerplatte (2) abgewandte Seite (1a) der grü nen Keramikfolie (1) aufsetzbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende des Auslaßkanals (8) von einem parallel zu der Keramikfolie (1) verlaufenden Flächenstück (19) umgeben ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Flächenstück (19) eine umlaufende Dichtung (7) auf gebracht ist.