DE2736055B2 - Mehrschichtige gedruckte Schaltung und Verfahren zum Herstellen der mehrschichtigen gedruckten Schaltung - Google Patents

Mehrschichtige gedruckte Schaltung und Verfahren zum Herstellen der mehrschichtigen gedruckten Schaltung

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DE2736055B2
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Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige gedruckte Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen der mehrschichtigen gedruckten Schaltung.
Wenn eine Keramik als Substrat einer gedruckten Schaltung gebrannt wird, tritt ein Schrumpfen der laminierten grünen Tafel während des Brennvorgangs auf, was die Positionierungsgenauigkeit des Schaltungsmusters in oder auf dem Substrat beeinflußt. Wenn beispielsweise das Schrumpfen durch Brennen innerhalb einer Abweichung von ±0,5% gehalten wird, tritt an der Kante eines Substrats mit der Abmessung 100 χ 100 mm eine Versetzung von etwa 250 μιη auf, ι wenn der Ursprung der Kontraktion in der Mitte des Substrats angenommen wird. Im Falle einer Abweichung von ±0,3% beträgt die Versetzung nur 150 μπι.
Im Falle eines Substrats mit geringen Abmessungen, bei dem die Verdrahtungsmusterdichte gering ist und
in das Muster in einem etwas größeren Abstand als die obige Verschiebung gebildet ist, ist es möglich, die Musterversetzung aufgrund des während des Sinterns erzeugten Schrumpfens zu verringern, indem leitfähige Bereiche vorgesehen werden, die breiter als das
i·' Verdrahtungsmuster auf dem Substrat sind und die auf die Löcher und Anschlüsse zu weisend angeordnet sind. Deshalb ergibt sich in der Praxis kein Problem beim Befestigen der Bauelemente. Im Falle eines Substrats mit hoher Verdrahtungsmusterdichte, wobei der Mu-
.'" sterabstand 250 μπι oder weniger ist, wird jedoch eine Befestigung der Bauelemente durch die Versetzung aufgrund des Schrumpfens unmöglich. Im allgemeinen werden slektrische Verbindungen zwischen Schichten mehrschichtiger Keramikplatten mittels Durchgangslö-
.'"> ehern hergestellt. Das Problem der Versetzung kann dadurch gelöst werden, daß der Durchmesser der leitfähigen Bereiche dieser Durchgangslöcher groß gemacht wird. In der Praxis ist jedoch die Substratfläche hauptsächlich mit befestigten Bauelementen oder dem
«ι Raum für äu'iere Verbindungsanschlüsse besetzt, und deshalb miM die Verdrahtung oft zwischen den leitfähigen Bereichen ausgeführt werden. Aus diesem Grund is. der Durchmesser der leitfähigen Bereiche durch die Musterdichte beschränkt. Mit anderen
'"> Worten bestimmt bei einer gedruckten Schaltung mit hoher Dichte die Schrumpfungsabweichung aufgrund des Brennens die Dichte des Verdrahtungsmusters.
Bei einer bekannten mehrschichtigen gedruckten Schaltung mit einem gebrannten keramischen Laminat,
■»<> das mehrere Schichten von Leitermustern enthält, die über Durchgangslöcher miteinander verbunden sind, wobei auf der oberen Fläche des Laminats leitfähige Bereiche um die Durchgangslöcher gebildet sind, werden mehrere grüne keramische Tafeln laminiert und
« gebrannt (US-PS 31 89 978). Beim Brennen schrumpfen die grünen Tafeln, was zu einer Versetzung der leitfähigen Bereiche führt. Um trotz dieser Versetzung die Verbindung der verschiedenen Schichten der Leitermuster zu ermöglichen, sind die leitfähigen Bereiche relativ groß gewählt, womit eine hohe Verdrahtungsdichte nicht erreicht werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mehrschichtige gedruckte Schaltung und ein Verfahren zum Herstellen der gedruckten Schaltung zu schaffen, welche die Bildung von sehr feinen Verdrahtungsmustern auf einem mehrschichtigen keramischen Laminat ermöglichen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 2.
Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind
Fig. IA eine auseinandergezogene Ansicht der Schichten vorder Laminierurg,
Fig. IB ein Querschnitt längs der Linie \b-\b nach Fig. IA,
F i g. 2A ein Querschnitt der Schichten nach F i g. 1B
nach der Laminierung,
Fig. 2B ein Querschnitt der Schichten nach der Laminierung durch einen Druckvorgang.
Fig. 3 ein Querschnitt des mehrschichtigen keramischen Laminats der F i g. 2A nach der-Sanierung,
Fig.4 ein Querschnitt einer keramischen Platte für ein Verdrahiungsmuster.
Fig. 5 bis 7 Querschnitte der mehrschichtigen gedruckten Schallung nach verschiedenen Verfahrensschritten der Erfindung,
F i g. 8 ein Querschnitt der mehrschichtigen gedruckten Schaltung gemäß F i g. 7 nach der Verdrahtung und
F i g. 9 eine perspektivische Ansicht einer vollständigen gedruckten Schaltung nach F i g. 8.
In den Fig. IA sind 61, 62 und 63 grüne Tafeln, 1 sind vorstehende leitfähige Bereiche, 2 ist ein vorstehender leitfähiger Bereich in Form einer Elektrode,3 und 3a si;sd Durchgangslöcher und 4 ist ein Verdrahtungsmuster.
/ede grüne Tafel bi, b2 oder b3 kann durch die folgenden Vorgänge gebildet werden. Zuerst werden Pulver aus AIjOj und MgO in einem bekannten Bindemittel gemischt, um einen Schlamm zu bilden. Dann wird dieser Schlamm auf einem Polyesterfilm aufgebracht und seine Fläche wird mittels eines Abstreifmessers eben gemacht. Nachdem der Schlamm getrocknet ist, wird ein Loch an der Stelle der tn ckenen grünen Tafel gebohrt, wo die leitfähigen Bereiche I und 2 durch die nachfolgenden Vorgänge gebildet werden. Das Loch wird mit einer Leiterpaste aus gemischtem Metallpulver gefüllt, wodurch die Durchgangslöcher 3 und 3a gebildet werden. Auf der grünen Platte 6 1 werden dort, wo die Durchgangslöcher 3 und 3a gebildet werden, der leitfähige Bereich 1 in einer von der Verdrahtungsdichte abhängigen Abmessung und der leitfähige Bereich 2 zum Erden durch Verbinden mit der Erdelektrode an der Hinterseite wie im Falle einer Strahlführungsvorrichtung durch Siebdrucken oder ein anderes Verfahren, beispielsweise Flammstrahlen, unter Verwendung einer Leiterpaste aus gemischtem Metallpulver gebildet. Auf den grünen Tafeln 62 und 63 wird ein Leitermuster 4 durch Siebdrucken unter Verwendung einer Leiterpaste aus gemischtem metallischen Pulver gebildet. Das mit den Durchgangslöchern zu verbindende Leitermuster 4 wird derart gebildet, daß das Muster teilweise auf die Stellen 41, die zu dem Durchgangsloch 3 der grünen Tafel 6 1 weisen, auf der grünen Tafel 62 oder auf den Stellen 41, die zu dem Durchgangsloch der grünen Tafel 62 weisen, auf der grünen Tafel 6 2 gedruckt wird. Wenn eine Verdrahtung auf der grünen Tafel 6 2 oder der grünen Tafel 6 3 nicht ausgeführt wird und wenn das Verdrahtungsmuster auf der anderen grünen Tafel anstelle der grünen Tafel 62 oder 63 über den leitfähigen Bereich 1 auf der grünen Tafel 6 1 und das Durchgangsloch verbunden wird, wird das Leitermuster 4 gedruckt und gleichzeitig wird der Leiter 36 an der Stelle des Durchgangslochs 3 gedruckt, an der das Leitermuster nicht jeweils auf jede grüne Tafel 6 2 und 6 3 gedruckt wird.
Um die Oberfläche des Leitermusters, das auf den grünen Tafeln 62 und 63 gemäß Fig. IB in der oben beschriebenen Weise hergestellt worden ist, zu glätten, wird die Keramikpaste auf den grünen Tafeln mit dem Muster siebgedruckt, daH zu dem Leitermuster 4 umgekehrt ist.
Gemäß F i g. 2A werdefi die grünen Tafeln 61,62 und b 3, die wie in F i g. 1B gezeigt gebildet sind, wobei deren Oberfläche unter Verwendung der Keramikpaste
geglättet ist. unter Druck laminiert. Wenn das Laminat desselben Aufbaus wie in Fig. 2A durch Siebdrucken gemäß F i g. 2B hergestellt wird, wird das Leitermuster 4 zuerst auf der keramischen grünen Tafel 64 durch Drucken gebildet und dann wird die Leiterschicht 51 mit einem Leitermuster und einem nicht leitfähigen Muster gebildet, indem die keramische Paste eines zu dem Leitermuster entgegengesetzten Musters gedruckt wird. Dann wird die Leiterpaste an der Stelle des Durchgangslochs 3 gedruckt und die Durchgangsiochschicht 52 wird nach dem Drucken der keramischen Paste des entgegengesetzten Musters gebildet. Durch Wiederholen dieses Vorgangs werden die Leiterschicht 53 und die Durchgangslochschicht 54 gebildet und die leitfähigen Bereiche 1 und 2 werden auf der Fläche der Durchgangslochschicht 54 gebildet.
Gemäß F i g. 3 wird das grüne Laminat, das in F i g. 2A oder 2B gezeigt ist, einmal bei einer solchen Temperatur erwärmt, daß das Lösungsmittel des grünen Laminats oder der Leiterpaste sublimiert, und wird dann bei einer Temperatur gesintert, die zum Erreichen einer hohen Dichte des keramischen Materials notwendig ist. Dadurch werden jede grüne Tafel und jede Schicht, die in Fig. 2A oder 2B gezeigt sind, zu einer Einheit integriert und auf diese Weise wird das gesinterte Laminat 60 erhalten. Das Leitermuster 4 des auf diese Weise erhaltenen Laminats 60 enthält kein Lösungsmittel und ist eine Festsubstanz.
Gemäß Fig.4 ist das Laminat aO eine ebene und flache Keramik im Hinblick auf die zu befestigenden Halbleitervorrichtungen, die an der vorderen und hinteren Fläche des mehrschichtigen Laminats 60 angebracht werden, siehe F i g. 3. Zum Zwecke der elektrischen Verbindung mit dem leitfähigen Bereich des Laminats 60, siehe Fig. 3, wird das Loch 6 genau durch Laser mittels numerischer Steuerung gebohrt.
Gemäß Fig. 5 ist das keramische Laminat 60 andererseits ein mehrschichtiges Substrat, in welchem das Leitermuster 4 bereits an dessen Innenseite gebildet ist. Der leitfähige Bereich mit dem gewünschten Durchmesser ist an den vorderen und hinteren Flächen vor oder nach der Sinterung, wie voranstehend erwähnt, gebildet und wird dann mit einer Glasschicht 7 bedeckt.
Falls es notwendig ist, eine Befestigung eines Elements direkt an dem Laminat 60 über den leitfähigen Bereich 2 durch ein Preßwerkzeug auszuführen, ist es nicht erforderlich, die Glasschicht 7 auf die Fläche 8 aufzubringen. Notwendig ist es, ein Fenster 6' an einem Teil des Laminats a0 gemäß Fig.4 vorzusehen. Dann wird gemäß F i g. 6 eine keramische Platte a0 auf dem Laminat 60 nach Lageeinstellung angeordnet und diese werden einer Wärmebehandlung ausgesetzt, um sie vollständig zu einer Einheit zu integrieren, wobei die Temperatur höher als die Temperatur zum Erweichen der Glasschicht 7 ist. Die die keramische Platte a0 und das Laminat 60 bildende Einheit wird in eine Ätzflüssigkeit aus Glas eingetaucht und dann wird das Bohren der Glasschicht 7, wie in Fig. 7 gezeigt, ausgeführt. Das Bohren der Glasüberzugsfläche wird nur mit dem Eintauchen in die Ätzflüssigkeit vervollständigt, da die keramische Platte ad selbst die Rolle einer Atzmaske ausführt. Für die keramische Platte und die freigelegte Fläche des Glasüberzugs der Elementenbefestigungsfläche kann eine Ätzabdeckung aus einem Harz verwendet werden. Dann wird ein Durchgangsloch 8 gebildet, indem das gebohrte Loch T gemäß F i g. 8 leitfähig gemacht wird. Ein engmaschiges Verdrahtungsmuster 9 wird auf der
vorderen und der hinteren Hache der keramischen Platte angebracht, wodurch die mehrschichtige gedruckte Schaltung erhalten wird. Wenn nicht so viele Elemente auf der keramischen Platte 60 durch Befestigen mittels eines Preßwerkzeugs angebracht werden, kann der Durchmesser des leitfähigen Bereichs 1 groß gemacht werden.
In Fig. 9, die eine perspektivische Ansicht der bearbeiteten mehrschichtigen gedruckten Schaltung zeigt, ist das Vcrdrahtungsinuster 9 durch Vakuumverdampfung und Ätzen auf der keramischen Platte ;)0 gebildet. Das Ende des Verdrahtungsmusters 9 ist im einzelnen so ausgebildet, daß mehrere Elektroden auf der Fläche der Slrahlführungsvorrichtung einzeln verbunden sind, wenn der Erdanschluß an der Unterseite der Strahiführungsvorriehtung mit dem leitfähigen Bereich 2 auf der keramischen Platte bO verbunden ist. Das Verdrahtungsmustcr 92 wird mit dem leitfähigen Bereich 1 über das Durchgangsloch 8 auf der keramischen Platte ;/0 verbunden, bevor es mit dem anderen Element auf dieser Platte verdrahtet wird.
Vorangehend ist die keramische Platte aO, die in Fig.4 gezeigt ist, als gesinterte Platte beschrieben, jedoch kann es sich auch um eine grüne Tafel handeln. In diesem Fall muß die grüne Tafel eine Keramik mit niedrigem Schmelzpunkt sein, die bei einer Temperatur um den Erweichungspunkt der Glasschichi gesintert wird, wenn diese mit der keramischen Platte bO unter Verwendung der Glasschicht 7 gemäß Fig. 6 mit geringerer Schrumpfung aufgrund der Sinterung integriert wird.
Wenn die Glasschicht zum Befestigen der keramischen Platte <i0 an dem Laminat bO in solcher Dicke gebildet ist. daß diese gleich der Dicke der leitfähigen Bereiche auf dem Laminat 60 ist. kann ein Bohren der Glasschicht, wie in F i g. 7 gezeigt ist. vermieden werden. Wenn die Glasschicht in der vorbeschriebenen Weise gebildet ist und eine grüne Tafel als keramische Platte a 0 verwendet wird, kanr, die mehrschichtige gedruckte Schaltung durch Sintern der grünen Tafel erhalten werden.
Eine mehrschichtige gedruckte Schaltung mit den in der Tabelle 1 gezeigten Abmessungen wurde durch das nachfolgende Verfahren hergestellt.
Tabelle 1
Zahl der Schichten
Durchmesser der Durchgangslöcher
Durchmesser der leitfähigen
Bereiche
Minimaler Abstand der
Durchgangslöcher
Abmessungen
10
100 μΐτ>
100 μΐη
750 μπι
100 mm χ 100 mm
Nach der Zugabe von 5,5 Gew.-°/o Äthylzellulose als Bindemittel, 10 Gew.-% Dibutylphthalat als Plastifiziermittel und 50 Gew.-% Terpineo! als Verdünnungsmittel zu 100 Gew.-°/o von 95gewichtsprozentigem Aluminiumpulver wird ein Mahlen ausgeführt Dann wird eine grüne Tafel in einer Dicke von 300 μηι aus dem vorangehend erhaltenen Schlamm mittels eines Abstreifmessers erzeugt
Daraufhin wird die erhaltene grüne Tafel in Luft 24 Stunden lang getrocknet und dann wird das Bohren mit den in der Tabelle 1 gezeigten Abmessungen ausgeführt
Eine Wolframpaste kann erhalten werden, indem 100 Gew.-°/o Wolfram mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von I μ. 8 Gcw.-% Äthyl/eilulose. 4 Gew.-% Diodylphthalat. 25 Gew.-% Terpincol und 25 Gew.-% n-ßutylcarbitola/etai gemahlen werden.
Die Löcher in der grünen Tafel werden mit dieser Wolframpaste gefüllt. Gleichzeitig wird das l.eitermuster durch Drucken dieser Wolframpaste auf das Substrat entsprechend dem vorgesehenen Muster gebildet. Auf dieselbe Weise werden insgesamt zehn grüne Tafeln erhalten, auf denen das Muster des leitfähigen Materials gebildet ist.
Dann werden die auf diese Weise erhaltenen zehn keramischen grünen Tafeln, wie oben erwähnt, mit einem Druck von etwa 29,4 N/mm-(3 kg/mm-') bei einer Temperatur von 80 bis 90 C laminiert.
Dieses Laminat wird dann eine Stunde lang in Wasscrstolfumgcbung bei 1540''C gesintert. Zu dieser Zeit beträgt der Konzentrationskoeffizient aufgrund der Sinterung der auf diese Weise erhaltenen Laminate durchschnittlich lb.5%. Die Abweichung des Konzentrationskoeffizienten ist sehr wesentlich und beträgt auch unter nicht gut gesteuerten Bedingungen ±0.4%. Deshalb beträgt die Versetzung des Durchgangslochs an der Stelle, die etwa 45 mm von dem Mittelpunkt der mehrschichtigen keramischen Platte entfernt ist. im Maximum + 180 μηι.
Das Leitennuster zur Befestigung von Elementen wird auf dem Laminat mit dem minimalen Abstand von 750 μηι gebildet. Auch wenn ein leitfähiger Bereich aus Gold mit einem Oberflächendurchmesser von 100 μηι auf die Laminatflächc im Vakuum aufgedampft wird, wird das Leitermuster mit den leitfähigen Bereichen verbunden.
Wie oben beschrieben wurde, wird dann eine mehrschichtige keramische Platte mit zehn Schichten mit den in Tabelle 2 angegebenen Abmessungen hergestellt.
Auf der Oberfläche der äußersten Schicht werden nur die leitfähigen Bereiche gebildet.
■><> Tabelle 2
Zahl der Schichten
Durchgangslochdurchmesser
Durchmesser der leitfähigen
Bereiche auf der Vorderfläche
Minimaler Abstand der
Durchgangslöcher
Abmessungen
10 (nur bei den
leitfähigen Bereichen für die Vorderfläche) 100 μηι
600 μηι
750 μπι
100 mm χ 100 mm
Auch in diesem Fall beträgt die Versetzung des Musters von der Mitte der Platte etwa +180 μπι.
Dann wird eine Glaspaste (Niedrigtemperatur-Dichtungsglas ECLN 04009 der Firma Electro-Science
5ϊ Laboratories), die auch unter Wasserstoffumgebung gesintert werden kann, in einer Dicke von 50 μΐη auf das Laminat b 0 gedruckt. Da die Dicke der Leiter 25 μπι ist. wird die Dicke der Glasschicht auf den leitfähigen Bereichen etwa 25 μιτι.
to Darüber wird dann die keramische Platte mit den in Tabelle 3 gezeigten Abmessungen angebracht und dann wird eine Aluminiumplatte mit einer Dicke von 5 mm und denselben Abmessungen wie die Platte zusätzlich darüber angeordnet Diese Anordnung wird unter
b5 Wasserstoffatmosphäre bei 400° C erhitzt wobei die keramische Platte a0 und das Laminat bO zu einer Einheit integriert werden.
Darauf wird diese mehrschichtige Anordnung in
Ätzflüssigkeit, wie Fluorsäure (Hydro-Fluorsäure), getaucht, um das Glas der gebohrten Fläche zu ätzen. Die leitfähigen Bereiche werden, wie unten angegeben, nach etwa 25 Minuten bei 3O0C erhalten.
Tabelle 3
Plattendicke
Durchmesser des gebohrten
Lochs
Minimaler Abstand der
Bohrung
Abmessungen
250 μΐη
100 μίτι (mit YAG-Laser gebohrt)
750 μίτι
100 mm χ 100 mm
Dann wird die Lage des Durchgangslochs auf der keramischen Platte a0 und dem Laminat b0, d.h. wo sich das gebohrte Loch der Platte a0 auf dem leitfähigen Bereich des Laminats 60 befindet, geprüft. Durch die Prüfung wird die Verdrahtungsmusterfläche
der Platte 60 einwandfrei am Ende der Platte aufrechterhalten. Dann wird das Bohrloch der Platte mit einem Gold-Leiter (DuPont 9588) gefüllt und in Wasserstoffumgebung gesintert. Auf diese Weise wird das Durchgangsloch gebildet. Schließlich wird eine Aufdampfung von NiCr-Au ausgeführt, woraufhin ein Überziehen mit einer Photowiderstandsschicht und ein Ätzen ausgeführt wird. Dadurch wird ein genaues und sehr kleines Verdrahtungsmuster ohne Abweichungen
ι ο aufgrund der Schwankungen der Schrumpfung erhalten.
Wenn eine Keramik, die bei niedriger Temperatur
gesintert werden kann, als die oben erwähnte Platte a O verwendet wird, wird »New Crystallizeable Glass Dielectric Composition 9492« der DuPont verwendet, wobei die Platte a 0 und das Laminat b 0 zu einer Einheit bei 800°C ohne Verwendung der Glaspaste zwischen der Platte a0 und dem Laminat b0 integriert werden können. Die Schrumpfung der Platte a 0 kann dabei sehr gering gehalten werden.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Palentansprüche:
1. Mehrschichtige gedruckte Schaltung mit einem gebrannten keramischen Laminat (b 0), das mehrere Schichten von Leitermustern (4) enthält, die über Durchgangsiöcher (3) miteinander verbunden sind, wobei auf der oberen Fläche des Laminats leitfähige Bereiche (1, 2) um die Durchgangslöcher gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Laminats (bO) und den leitfähigen Bereichen (I, 2) eine keramische Platte (aO) mit gegenüber dem Laminat (b 0) geringerer Schrumpfung angeordnet ist, auf der ein Verdrahtungsmuster (9) mit geringen Anständen aufgebracht ist, das über Durchgangslöcher (8) mit den leitfähigen Bereichen (1, 2) auf der oberen Fläche des Lamirwts (bO) verbunden ist
2. Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen gedruckten Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasschicht (7) auf dem gebrannten keramischen Laminat (bO) gebildet wird, daß die gebrannte keramische Platte (a O) auf der Glasschicht aufgebracht wird und daß die Glasschicht angelöst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht (7) mit einer größeren Dicke als die Dicke der leitfähigen Bereiche (1,2) auf dem gebrannten keramischen Laminat (b 0) gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (a 0) für die Verdrahtung als ungebrannte grüne Tafel und das gebrannte keramische Laminat (b0) unter Anlösen der Glasschicht gebrannt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (a 0) für die Verdrahtung als gebrannte keramische Platte und das gebrannte keramische Laminat (b0) bei der Erweichungstemperatur der Glasschicht (7) erhitzt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen der Durchgangslöcher in dem gebrannten keramischen Laminat (b 0) und in der keramischen Platte (a O) die Glasschicht (7) geätzt wird, wobei die in der keramischen Platte (ad) gebildeten Löcher als Maske verwendet werden, und daß eine leitfähige Paste in die in der keramischen Platte gebildeten Löcher gefüllt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht (7) mit derselben Dicke wie die Dicke der leitfähigen Bereiche (1, 2) des gebrannten keramischen Laminats (bd) gebildet wird und daß die Glasschicht nach dem Aufbringen auf dem keramischen Laminat geschmolzen wird.
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