DE2451485A1

DE2451485A1 - Verfahren zur metallisierung von ungebranntem keramikmaterial

Info

Publication number: DE2451485A1
Application number: DE19742451485
Authority: DE
Inventors: Arnold Friedri Schmeckenbecher
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-13
Filing date: 1974-10-30
Publication date: 1975-06-19
Also published as: JPS5091612A; FR2254417A1; GB1455938A; FR2254417B1; CA1043188A; JPS5228452B2; US3948706A; IT1025684B

Description

Verfahren zur Metallisierung von ungebranntem Keramikmaterial

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zum Metallisieren von ungebranntem Keramikmaterial. Bisher ist vorgeschlagen worden, zur Metallisierung von ungebranntem Keramikmaterial eine Metallmaske zu verwenden. Eine Verbesserung gegenüber der Anwendung einer Metallmaske besteht in einem bereits vorgeschlagenen Verfahren, in dem ein organisches Material auf der Oberfläche des ungebrannten keramischen Materials aufgebracht wird, worauf dann durch das organische Material hindurch in dem ungebrannten keramischen Material vorbestimmte Muster oder Öffnungen definiert werden. Die sich daraus ergebenden Kanäle und Bohrungen werden mit einer Metallpaste ausgefüllt und nach Aufbringen der Metallpaste wird die organische Maske durch Abziehen entfernt. Dieses Verfahren ist in der US-Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 371 925 vom 20. Juni 1973 offenbart.

Dieses Verfahren hat jedoch zwei typische Eigenschaften, die manchmal unerwünscht sind. Bei einer ablösbaren Maske muß oft die Maske vor dem Laminieren und Brennen von dem ungebrannten keramischen Material körperlich abgezogen werden. Dieser Verfahrens sch ritt kann sehr schwierig durchzuführen sein, wenn bestimmte Formen in der Maske hergestellt sind. Wenn beispielsweise ein Kreis oder eine kleine ringförmige Öffnung in dem Maskenmaterial hergestellt ist, dann ergibt ein Abziehen der zusammenhängenden Teile der Maske einen kleinen Teil der Maske, der immer noch auf der ungebrannten Keramik verbleibt. Bei Mustern extrem hoher Dichte hat dieser zusätzliche Verfahrensschritt für das Abziehen

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kleiner verbliebener Teile der Maske den Nachteil, schwierig und zeitaufwendig zu sein, insbesondere dann, wenn das in verschiedenen Bereichen der Maske vorkommt.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein neuartiges Verfahren- zur Herstellung metallisierter Verbindungsleitungsmuster auf einem ungebrannten Keramikmaterial zu schaffen, welches nicht nur diese Nachteile vermeidet, sondern auch noch eine wesentlich präzisere Definition der einzelnen Leitungszüge ermöglicht. Insbesondere soll dabei ein vertieft angeordnetes Muster metallisierter Verbindungsleitungen für ungebranntes keramisches Material mit verbesserter Qualität geschaffen werden, das sich insbesondere und vorzugsweise für die Herstellung mehrschichtiger und/oder einschichtiger keramischer Verbindungsschaltungen eignet.

Von besonderem Vorteil wäre es dabei, wenn bei dem neuen Verfahren ein chemisches Ätzen wegfiele, so daß sich auch eine Qualitätsverbesserung dadurch ergäbe, daß Verunreinigungen durch chemisches Ätzen vermieden werden.

Ferner soll es durch die Erfindung ermöglicht werden, eine in Vertiefungen liegende Metallisierung auf einem ungebrannten keramischen Material herzustellen, so daß bei der Bildung komplizierter metallisierter Leitungszüge hoher Auflösung keine Maskenausrichtung erforderlich ist.

Dieses neue Verfahren für die Metallisierung von ungebranntem keramischen Material ist außergewöhnlich genau und eignet sich für den metallischen Niederschlag von sehr feinen Leitungszügen und ist außerdem für thermische Materialverarbeitung mit Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen geeignet.

Dabei läßt sich die Metallisierung auf dem ungebrannten keramischen Material vorzugsweise sowohl mit Naßverfahren als auch mit trockenen Niederschlagsver fahren durchführen. Insbesondere können durch das neue Verfahren auch durchgehende Bohrungen und Vertiefungen in dem ungebrannten keramischen Material metallisiert werden, ohne daß nach dem Niederschlag des Metalls oder vor dem Laminieren und Brennen eine Maske abgezogen werden muß.

Mit dem neuen Verfahren ist es nicht nur nicht mehr erforderlich, während der Fl 973 OHH

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Metallisierung einer einzigen Materialschicht die Maske abzuziehen, sondern man kann auch Strukturen ausgezeichneter Qualität bei einem nachfolgenden Laminierverfahren erzielen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zum Metallisieren von Vertiefungen und durchgehenden Bohrungen in einem ungebrannten keramischen Material mit nachfolgender Laminierung dieses Materials bei der Bildung von mehrschichtigen keramischen Packungen dadurch gelöst, daß man zunächst auf dem ungebrannten keramischen Material ein maskenbildendes Material aufbringt, das durch das anschließend niederzuschlagende Metall nicht benetzbar und das während des nachfolgenden Aufheizens verflüchtigbar ist, so daß die Notwendigkeit, die Maske durch Ätzen oder Abziehen zu entfernen, entfällt. Außerdem besitzt das die Maske bildende Material thermisch plastische Eigenschaften, die ein Laminieren einer Anzahl von mit metallischen Leitungen versehenen, ungebrannten Keramikmaterialien bei einer Temperatur unterstützt, die unterhalb der Verflüchtigungstemperatur liegt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der einzigen Figur beschrieben, in der die einzelnen Verfahrensschritte der Erfindung abgegebenen sind.

Im Schritt 10 wird ein maskenbiidendes Material 11 auf ein Trägermaterial 12, wie z.B. Polyäthylenterephthalatpolyester, wie z.B. durch Tauchen, Sprühen oder Aufwalzen aufgebracht. In der bevorzugten Ausführungsform besteht das maskenbildende Material 11 aus einem Polyvinylalkohol oder einer Polyamidver- \ bindung. - ■ ;

Anschließend wird im Schritt 14 ein Brei 13 aus keramischem Meterial, der an sich in üblicher Weise hergestellt sein kann, über das maskenbildende Material j

11 gegossen, das zunächst an dem organischen Trägermaterial, nämjich dem j

Polyestermaterial 12, anhaftet. Die Zusammensetzung und Zubereitung des Keramik-j breis 13 für die bevorzugte Ausführungsform ist beispielsweise in einem Aufsatz "A Fabrication Technique For Multi-Layer Ceramic Modules" von H. D. Kaiser |

und anderen in "Solid State Technology" vom Mai 1972, Seiten 35 bis 40 beschrieben. Selbstverständlich können ohne Abweichen vom Erfindungsgedanken auch andere keramische Zusammensetzungen verwendet werden, solange die Randbe-

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ORIGINAL INSPECTED

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dingungen der vorliegenden Erfindung eingehalten werden. Nach Trocknen des keramischen Materials wird das organische Polyestermaterial 12 abgezogen, so daß das maskenbildende Material 11, das wiederum eine Polyvinylalkohol oder eine Polyamidschicht sein kann, an dem trockenen ungebrannten keramischen Material 13 anhaftet.

Im Schritt 16 wird das ungebrannte keramische Material durch geeignete Verfahren maschinell bearbeitet. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl zur mechanischer Bearbeitung verwendet und es werden durch das Maskenmaterial hindurch die durchgehenden Bohrungen 15 und die zu metallisierenden Vertiefungen 17 hergestellt.

Andererseits kann das maskenbildende Material 11, wie z.B. ein Polyvinylalkohol oder ein Polyamidharz auch auf ein bereits hergestelltes ungebranntes keramisches Material aufgebracht werden, wie dies durch die punktierte Linie 18 angezeigt ist. In diesem zweiten Verfahren wurde die thermische, mechanische Bearbeitung nach dem unmittelbaren Aufbringen des maskenbildenden Materials auf dem ungebrannten keramischen Materia! durchgeführt, und es wäre hierbei nicht notwendig, das maskenbildende Material auf einer Folie aus Polyäthylen aufzubringen und diese vor der mechanischen Bearbeitung abzuziehen. Selbstverständlich sind auch andere Verfahren zum mechanischen Bearbeiten des ungebrannten keramischen Materials zur Bildung von durchgehenden Bohrungen und vertieften Linienzügen für gewisse Anwendungsgebiete,'wie z.B. Stanzen oder Fräsen in gleicher Weise anwendbar.

Anschließend wird im Schritt 20 eine elektrisch leitende Metalipaste 21 in die durchgehenden Bohrungen und in die Vertiefungen, beispielsweise mit Hilfe eines Spritzkopfes, durch Aufrollen oder Einreiben aufgebracht. In der bevorzugten Ausführungsform wird eine elektrisch leitende Paste mit einem Bindemittel benutzt und die einzige Randbedingung besteht darin, daß das Bindemittel das Maskenmaterial 11 nicht auflösen darf, das die durchgehenden Bohrungen und die Vertiefungen in ihren Abmessungen bestimmt. Eine flüssige oder puiverförmige leitende Paste kann ebenfalls bei bestimmten Anwendungsgebieten eingesetzt werden und es besteht keine Beschränkung auf eine bestimmte elektrisch leitende Paste.

Mit dem hier verwendeten keramischen Brei und dem in der bevorzugten Ausfüh-Fl 973 044

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rungsform der Erfindung verwendeten Bindemittel ist ein maskenbildendes Material aus Polyvinylalkohol oder Polyamid vorzuziehen. Die wesentlichen Eigen-

! schäften des maskenbildenden Materials sind: .

j 1. Es darf durch die im Schritt 20 benutzte elektrisch leitende Paste nicht benetzbar sein und

2. Es muß während einem nachfolgenden Aufheizschritt verflüchtigbar sein. Außerdem sollte das maskenbildende Material wünschenswerterweise, jedoch nicht so kritisch wie die beiden anderen Bedingungen, einen gewissen Grad thermischer Verformbarkeit aufweisen, insbesondere dann, wenn die elektrisch leitenden, aus ungebranntem Material bestehenden Schichten zu Schichtungen laminiert zusammengefaßt und in mehrschichtigen keramischen Packungen verwendet werden sollen.

Wenn beispielsweise im Schritt 22 die mit Metall ausgefüllten, einzelnen ungebrannten keramischen Folien auf Sinter- oder Brenntemperatur aufgeheizt werden, dann erreicht das aus Polyvinylalkohol oder Polyamid bestehende Material kurz vor der Verflüchtigung einen thermoplastischen Zustand und unterstützt die Bindung zwischen einer Anzahl von aus thermoplastischen Material bestehenden Plättchen zu einem einheitlichen Körper. Bei weiter zunehmender Temperatur verflüchtigt sich auch das maskenbildende Material Π und wird dadurch von der Mehrschichtstruktur entfernt, ohne daß dabei ein Abziehen, Abschälen oder ein anderes körperliches Entfernen dieser Schicht erforderlich ist, so daß sich im Hinblick auf die elektrischen oder physikalischen Eigenschaften keine Beeinflussung der geschichteten Packung ergibt. Bei Schritt 22 ist die Struktur nach Aufheizen und Verflüchtigen der Maskenschicht nur für ein einziges Plättchen dargestellt, wobei das Verfahren für eine Anzahl übereinandergestapelter Plättchen natürlich genauso abläuft.

In der bevorzugten Ausführungsform wird eine Molybdänpaste benutzt. Für bestimmte Anwendungsgebiete kann es jedoch erwünscht sein, selektiv auch nichtleitende Materialien in der gleichen Weise aufzubringen, wie im vorliegenden Fall metallisierte Muster aufgebracht werden.

Natürlich ist es wichtig, daß das maskenbildende Material in.der Metallzusammensetzung und den Bindemitteln unlöslich ist, so daß die vorbestimmten Muster nicht beschädigt oder zerstört werden, wobei diese Eigenschaft sich aus dem Ausdruck

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"nicht benetzbar" ergibt. Innerhalb der oben angegebenen Randbedingungen lassen sich auch Polyvinylchlorid und viele andere Stoffe als Maskenmaterial einsetzen. Für Mehrschichtenpackungen erreicht das ungebrannte keramische Hochtemperaturmaterial, das in der vorliegenden Erfindung zur Unterstützung der Laminatbildung eingesetzt wird, bei einer Temperatur um etwa 80 ⁰C einen thermoplastischen Zustand und verflüchtigt sich bei einer Temperatur im Bereich zwischen 400 und 500 C, während das Brennen der aus ungebranntem keramischen Material bestehenden Plättchen im Bereich zwischen 1500 und 1600 ⁰C stattfindet.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Metallisieren von aus ungebranntem keramischen Material bestehenden Plättchen,

gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Niederschlagen eines Materials auf einem aus ungebranntem keramischen Material bestehenden Plättchen, wobei das niederzuschlagende Material durch eine Verbindung nicht benetzbar ist, die anschließend zur Bildung von Mustern auf dem ungebrannten keramischen Plättchen benutzt wird, und bei einer vorbestimmten Temperatur verflüchtigbar ist,

- Niederschlagen dieser Verbindung über dem ungebrannten keramischen Plättchen, so daß sich diese Verbindung in Vertiefungen und durchgehenden Bohrungen niederschlägt, die durch das nichtbenetzbare Material nicht bedeckt sind und

- Aufheizen des ungebrannten keramischen Plättchens zur Verflüchtigung und Beseitigung des nichtbenetzbaren Materials.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtbenetzbare Material eine elektrisch leitende Verbindung ist.

|3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material

der nichtbenetzbaren Schicht bei einer unterhalb der Verflüchtigungs- ; temperatur liegenden Temperatur thermoplastisch ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Laminieren einer Anzahl metallisierter, ungebrannter keramischer ι Plättchen übereinander und

- Aufheizen der geschichteten Plättchen, so daß zunächst das nichtbenetzbare Material in einen thermoplastischen Zustand übergeht und die Anzahl der Plättchen aneinander bindet und daß bei weiterem Aufheizeh der Anzahl übereinandergeschichteter, ungebrannter Plättchen das nichtbenetzbare Material sich verflüchtigt^ so daß eine Packung aus mehren Schichten aus Keramikmaterial mit elektrischen Ver-

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bindungsleitungen zur Verbindung von integrierte Halbleiterschaltungen tragenden Halbleiterplättche gebildet wird.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die elektrisch leitende Verbindung eine metallhaltige Verbindung mit Bindemitteln ausgewählt wird, die eine metallhaltige Paste bilden und daß das nichtbenetzbare Material so ausgewählt wird, daß.es in den Bindemitteln unlöslich ist.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtbenetzbares Material ein Polyvinylalkohol verwendet wird.

! 7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtbe-

netzbares Material ein Polyamidmaterial benutzt wird.

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8. Verfahren zum Metallisieren ungebrannter keramischer Plättchen nach

Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von integrierte Schaltungen aufweisender Halbleiterplättchen mit der aus mehreren Schichten bestehenden metallisierten Packung verbunden werden.

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