DE2738989A1

DE2738989A1 - Vorrichtung zum bedrucken gruener keramischer folien

Info

Publication number: DE2738989A1
Application number: DE19772738989
Authority: DE
Inventors: Robert Hotchkiss Cadwallader; Yves Darves-Bornoz; Angelo Salvatore Gasparri; Francis Anthony Racine
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-11-11
Filing date: 1977-08-30
Publication date: 1978-05-18
Also published as: US4068994A; FR2375797A1; FR2375797B1; DE2738989C2; JPS5363113A; GB1539369A; JPS5625789B2

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 105O4 heb-pi

Vorrichtung zum Bedrucken grüner keramischer Folien

Die Erfindung betrifft die Herstellung von gedruckten Schaltungen und insbesondere eine Vorrichtung zum Bedrucken grüner keramischer Folien mit einem Leitungsmuster.

Mehrschichtige keramische Halbleiterpackungen sind bekannt. Diese Art von Halbleiterpackung ist deswegen besonders erwünscht, da innerhalb des Substrats verschiedene Schaltungen untergebracht werden können. Zusätzlich dazu, daß hier viel kompliziertere Schaltungen aufgebaut werden können, als wenn eine Anzahl von metallisierter Schichten auf der Oberfläche eines Substrats niedergeschlagen werden, wird auch die Kapazität der Schaltung verringert, da die Abstände größer gemacht werden können. Diese Art von Packung wird dadurch gebildet, daß man zunächst eine Mischung aus fein verteiltem keramischen Material, einem flüchtigen Lösungsmittel und einer Trägermasse bildet. Die Mischung aus keramischen Material wird mit Hilfe eines Abstreichmessers oder einer Rakel zu einer dünnen Schicht ausgestrichen und zum Austreiben des flüchtigen Lösungsmittels getrocknet. Das ergibt eine dünne, biegsame papierähnliche Folie, die allgemein als grüne keramische Folie bezeichnet wird. Diese Folie wird in kleinere Stücke zerschnitten und durch Herstellen von durchgehenden Bohrungen, Ausfüllen dieser Bohrungen mit einer elektrisch leitenden Paste und Aufdrucken eines Leitungsmusters weiter verarbeitet. Eine Anzahl derartig verarbeiteter Folien werden dann zusammengefügt, gepreßt, beschnitten und anschließend in einem Ofen bei einer relativ hohen Temperatur in der Gröseenordnung von etwa 1200° C gesintert. Während des Sintervor-

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gangs werden die Trägermasse und noch verbleibende Bindemittel ausgebrannt, so daß ein starrer keramischer Körper übrig bleibt, der in seinem Innern miteinander verbundene Leitungsmuster aufweist. Dann werden auf Ober- und Unterseite entsprechende Metallisierungen auf dem keramischen Substrat aufgebracht, und es werden die entsprechenden Verbindungen über die zuvor in den grünen Folien hergestellten durchgehenden Bohrungen hergestellt. Anschließend werden die elektrischen Anschlüsse und Halbleitervorrichtungen angebracht und das ganze eingekapselt.

Die Verarbeitung der einzelnen grünen Folien in der soeben beschriebenen Art ergibt erhebliche Schwierigkeiten, insbesondere bei Siebdruckverfahren. Die keramischen grünen Folien sind bei einer Dicke von etwa 0,2 mm relativ brüchig und sind im Vergleich zu ihrer Dicke außergewöhnlich groß. Das Ausrichten der grünen Folien mit der Maske zur Herstellung der gewünschten Leitungsmuster und zum Ausfüllen der durchgehenden Bohrungen muß sehr sorgfältig durchgeführt werden, und dies wird normalerweise mit Hilfe von an den Kanten der grünen Folien hergestellten Ausrichtbohrungen durchgeführt. Wenn die grüne Folie über den Ausrichtstiften aufgelegt wird, dann muß das sehr sorgfältig erfolgen, so daß die Ausrichtbohrungen weder beschädigt noch vergrößert werden. Der Stand der Technik, der das Bedrucken von Leitungsmustern auf starren Substraten betraf, gibt keine technische Lösung für diese Schwierigkeit an, da die bisher verwendeten Substrate entweder starre, aus Tonerde bestehende Modulsubstrate oder aus Kunstharz bestehende Schaltungskarten waren. Bei diesen Anwendungsgebieten läßt sich die Ausrichtung einer Schaltungskarte in bezug auf eine Maske dadurch erreichen, daß man die Ecken oder Kanten als Bezugsflächen verwendet, die durch geeignete Klammern usw. ergriffen und gehalten werden können.

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Die Ausrichtung einer grünen keramischen Folie in bezug auf die Maske muß sehr genau sein, da der Maßstab der Leitungsrauster in bezug auf die Gesamtgröße der Folie sehr klein ist. ISn bei dieser Art der Fertigung, bei der ein sehr starker Wettbewerb herrscht, die Kosten möglichst klein zu halten, muß die Ausrichtung möglichst rasch erfolgen, vorzugsweise sogar automatisch. Eine v/eitere Schv/ierigkeit beim Bedrucken einer grünen Folie besteht darin, daß für die Ausrichtung benutzte Stifte während des Druckvorganges zurückgezogen sein müssen, so daß sie das Drucksieb oder die Druckvorrichtung nicht beeinträchtigen.

Es besteht also ein dringender Bedarf für eine Druckvorrichtung für die Verarbeitung und das Bedrucken grüner keramischer Folien, damit dadurch hergestellte Packungen in den Herstellkosten mit anderen Arten von Packungen konkurrieren können. Bekannte Druckvorrichtungen zum Herstellen leitender Muster auf starren Substraten sind keine dafür geeignete Technik, und dafür geeignete Maschinen gibt es nicht. Der mit dem Drucken und Aufbringen von Bezeichnungen über Schablonen auf Papier befaßte Stand der Technik bewältigt Schwierigkeiten anderer Art und ist gleichfalls auf das hier angesprochene Problem nicht anwendbar, da es beim Stand der Technik im allgemeinen nicht zu sehr auf die außergewöhnlich genaue Ausrichtung und schon gar nicht auf die Behandlung eines relativ v/eichen und deformierbaren Werkstückes ankommt.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es also, eine halbautomatisch oder automatisch arbeitende Siebdruckvorrichtung zum Bedrucken von keramischen grünen Folien mit Leitungsmustern zu schaffen, bei welcher die zerbrechliche Folie rasch und sorgfältig über einer Anzahl von Ausrichtstiften ausgerichtet werden kann

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und bei welcher vorausgerichtete Masken rasch ausgewechselt v/erden können, so daß ohne zeitraubende Ausrichtverfahren unterschiedliche Leistungsmuster gedruckt werden können.

Die Siebdruckvorrichtung soll dabei insbesondere einen Träger an einer Beschickungsstation aufweisen, welcher anschließend automatisch nach der Druckstation überführt, dort bedruckt und nach der Beschickungsstation zurückgeführt wird. Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit Hilfe einer Vorrichtung zum Bedrucken von grünen Folien gelöst mit einer Beschickungsstation, einer Druckstation, einer Schablonenmaske an der Druckstation sowie mit einem Träger für die keramische grüne Folie und Mitteln zum Festlegen der keramischen grünen Folie in einer vorgegebenen Bezugsposition auf dem Träger, der dann in waagrechter Richtung von der Beschickungsstation in eine Position unterhalb der Druckstation und in senkrechter Richtung in eine Position unterhalb einer Schablonenmaske bewegt werden kann, sowie mit einer Druckeinrichtung an der Druckstation zum Aufdrucken eines Musters aus einer elektrisch leitenden Paste durch die Schablonenmaske auf die Oberfläche der keramischen grünen Folie.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht, zum Teil weggebrochen, einer

bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fign. 2A, 2B vereinfachte Seitenansichten bei den verschie- und 2C denen Abschnitten eines Arbeitszyklus zur

Erläuterung der Bewegung des Trägers von der Beschickungsstation nach der Druckstation,

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Fig. 3 eine Seitenschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine Teilschnittansicht längs der Linie 4-4

in Fig. 1 zur Darstellung der Konstruktion der Plattform für die keramische grüne Folie,

Fig. 5 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Darstellung der Höheneinstellung der Plattformoberfläche für die keramische grüne Folie,

Fig. 6 eine Draufsicht längs der Linie 6-6 in Fig.

5 und

Fig. 6A eine Teilschnittansicht längs der Linie 6Ά-6Α

in Fig. 6.

Die Druckvorrichtung 10 gemäß der Erfindung weist eine Beschickungsstation 12 auf, in der grüne keramische Folien, die eine Anzahl von Ausrichtbohrungen aufweisen, auf einen Träger 13 aufgebracht werden sowie eine Druckstation 14 mit einer Schablonenmaske 15 und dem eigentlichen Druckkopf 16, die vorzugsweise so aufgebaut ist, wie dies in der US-Patentschrift 3 384 931 beschrieben ist, und mit einer aus einem Vorratsbehälter auspreßbaren Druckpaste arbeitet. Der Träger 13 weist eine Plattform 18 auf, die die keramischen grünen Folien in einer durch Ausrichtstifte 20 ausgerichteten Position trägt. Eine Betätigungsvorrichtung bewegt dabei den Träger 13 in waagrechter Richtung in eine Position unterhalb der Drucketation 14 und dann in senkrechter Richtung nach oben in eine Druckposition unterhalb der Schablonenmaske 15 bei dem Druckkopf 16. Diese Folge von Bewegungen und die dafür verwendeten Bauelemente sind in Fign. 22. und 2C ?e-

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zeigt. Der untere Teil 32 des Trägers 13 ist auf Schienen oder einer ähnlich geeigneten Bahn gleitend gelagert. Ein durch Luft, Dampf, öl oder dgl. betätigter Arbeitszylinder 22 ist mit einem an dem Träger angebrachten Ansatz 24 verbunden. Wenn die Kolbenstange 26 des Zylinders 22, wie in Fig. 2B gezeigt, ausgefahren wird, dann bewegt sich der Träger in waagrechter Richtung, so daß die Plattform bis unter die Druckstation 14 kommt. Man beachte, daß der obere Teil 28 des Trägers nunmehr an dem Anschlag 30 anliegt. Ein weiteres Ausfahren der Kolbenstange 26 gemäß Fig. 2C bewirkt, daß der untere Abschnitt 32 des Trägers 13 kraftvoll in horizontaler Richtung bewegt wird. Der obere Abschnitt 28 des Trägers ist jedoch an einer weiteren Bewegung in waagrechter Richtung durch den Anschlag 30 gehindert. Wie die Pfeile in Fig. 2C zeigen, wird der obere Abschnitt 28 durch die geneigte Oberfläche 34 so nach oben gedrückt, daß die die grüne keramische Folie tragende Plattform 18 unmittelbar unterhalb der Maske 15 in Druckposition gebracht wird. Die Druckeinrichtung 16 wird dann quer über die Maske geführt und drückt elektrisch leitende Paste oder ein anderes Pastenmaterial durch die Öffnungen der Schablonenmaske auf die Oberfläche der grünen keramischen Folie und in die durchgehenden Bohrungen. Wie ebenfalls aus Fig. 2 zu erkennen, ist ein Grenzschalter 36 vorgesehen, der die Vorwärtsbewegung der Kolbenstange 26 dann beendet, wenn der obere Abschnitt 28 des Trägers 13 in der Druckstation in Position gebracht ist. Der Träger 13 wird dann in umgekehrter Reihenfolge der soeben beschriebenen Bewegungen wieder in die Beschickungsstation gebracht. Diese Bewegung wird durch das Einfahren der Kolbenstange 26 in den Arbeitszylinder 22 bewirkt.

Aus Fig. 4 erkennt man die Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform der Plattform 18, die die grüne keramische Folie 40 trägt. Die Plattform 18 ist mit einer Deckplatte aus einem porösem Material, wie z.B. aus porösem Glas, aus-

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gerüstet, das Luft oder ein anderes Fluidum durchläßt. Vorzugsweise ist die Deckplatte 42 auch lichtdurchlässig, was sich aus der nachfolgenden Beschreibung noch ergibt. Ausrichtstifte 20 sind in Ausrichtbohrungen der keramischen grünen Folie 40 angeordnet. Während des BeschickungsVorgangs sind die Ausrichtstifte in die in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnete Position 2OA zurückgezogen. Die grüne Folie wird dann über den Stiften aufgelegt, während gleichzeitig Luft oder ein anderes Fluidum der Kammer 44 über Leitung 46 zugeleitet wird. Die aus der Leitung 46 kommende, die poröse Deckplatte 42 durchströmende Luft hält die grüne Folie 40 schwebend in Position, ohne daß dabei das Material der grünen Folie rund um die Ausrichtbohrungen beansprucht wird. Es ist hierbei zu beachten, daß der Abschnitt der Ausrichtstifte 20, der über die Oberfläche der Deckplatte 42 hinausragt, sich verjüngt. Auf der Plattform 18 ist außerdem ein Lichtquelle 47, vorzugsweise eine Neonlampe, vorgesehen, der Spannung über die Anschlußleitung 48 zugeführt wird. Die Lichtquelle 47 ermöglicht eine bequeme und einfache Beobachtung der auf der Deckplatte 42 der Plattform 18 liegenden grünen Folie 40. Es ist offensichtlich, daß diese Beschickungsvorrichtung für eine vollständige Automatisierung eingerichtet ist. Es könnte beispielsweise eine Beschickungsvorrichtung konstruiert werden, die ohne menschliche Einwirkung von außen grüne Folien auf die Plattform 18 ablegt. Gleichermaßen könnte man eine Vorrichtung konstuieren, die die grünen Folien nach dem Druckvorgang abhebt. Das könnte dann so vor sich gehen, daß die grüne Folie zum Schweben gebracht wird, während gleich- ; zeitig die Ausrichtstifte zurückgezogen v/erden.

Gemäß Fig. 3 sind die Ausrichtstifte 20 an einem Joch 54 befestigt, das von der Plattform 18 getragen und unter Feder druck nach oben gedrückt wird. Wenn daher die Bewegung des : Joches 54 nicht eingeschränkt wird, dann ragen die Ausricht- j

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stifte über die Oberfläche der Plattform 18 hinaus, wie dies Fig. 4 zeigt. Wenn sich jedoch der Träger in der Beschickungsstation befindet» dann müssen die Ausrichtstifte teilweise zurückgezogen sein, und in die Kammer 44 muß Luft eingeführt werden. Diese Funktion wird durch eine über einen Hebel 51 betätigte Nockenscheibe 50 erreicht, wie dies Fig. 3 zeigt. Die Nockenscheibe 50 rotiert dabei den Hebel 52, der den Ansatz 53 am Joch 54 nach unten drückt. Dadurch werden die Ausrichtstifte 20 teilweise zurückgezogen. Gleichzeitig wird dabei ein Schalter 55 betätigt, so daß dadurch Luft über die Leitung 46 in die Kammer 44 eingeleitet wird, welche die grüne Folie zum Schweben bringt. Durch weitere Rotation der Nockenscheibe 50 werden die Ausrichtstifte freigegeben, und die Luftquelle wird abgesperrt, und es wird an die Kammer 44 der Plattform 18 ein Vakuum angelegt, das die grüne Folie sicher in Position hält. Wenn der Wagen 13 dann in die Druckstation bewegt wird, dann ergreift der Vorsprung 53 am Joch 54 einen Anschlag 57, wodurch die Ausrichtstifte vollständig zurückgezogen werden, wie dies in Fig. 4 bei 2OB dargestellt ist. Dadurch ist es möglich, daß der die Druckpaste abgebende Druckkopf 16 ungehindert über die Oberfläche der grünen Folie geführt werden kann.

Befindet sich die keramische grüne Folie 40 in der Druckstation 14, dann ist es außerordentlich wichtig, daß eine sehr genaue Ausrichtung zwischen der Maske und der grünen Folie ' vorhanden ist, da in der grünen Folie normalerweise eine sehr große Anzahl durchgehender Bohrungen vorgesehen ist, die mit J der leitenden Paste gefüllt werden müssen. Dabei müssen die ^! durchgehenden Bohrungen sehr sorgfältig mit dem durch die Schablonenmaske gebildeten Leitungsmuster und schließlich mit anderen später herzustellenden, mit durchgehenden Bohrungen und Leitungsmustern versehenen grünen Folien ausgerichtet sein. Damit eine derart einwandfreie Ausrichtung der Maske

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in der Plattform sichergestellt werden kann, sind eine Anzahl von Ausrichtzapfen 60 starr auf dem Träger befestigt, wie dies Fign. 1 und 3 zeigen. Die Ausriehtzapfen 60 sitzen dabei in Bohrungen 62 in einer einstellbar befestigten Lochplatte 64, die von dem Maskenrahmen 66 getragen wird. Mit dieser Anordnung lassen eich die Masken entsprechend unterschiedlicher Teilenummern leicht und schnell austauschen. Die Schablonenmaske 15 ist fest und dauerhaft auf dem Maskenrahmen 66 befestigt. Wenn der Maskenrahmen 66 einmal über der Plattform 18 in der Druckstation ausgerichtet ist, dann wird die Lagebeziehung zur Plattform beibehalten. Die Lochplatte 64 kann dabei so eingestellt werden, daß kleine Schwankungen in der Position der Schablonenmaske in bezug auf den Rahmen ausgeglichen werden können. Der Träger wird dann in Druckstation verfahren, der Maskenrahmen über den Ausrichtstiften 60 aufgesetzt, wobei die Zentrierschraube 67 die Lochplatte 64 lose auf der Platte hält. Nachdem der Rahmen genau mit dem Muster an durchgehenden Bohrungen der auf der Plattform befindlichen keramischen Folie ausgerichtet ist, werden die Zentrierschrauben 67 angezogen, wodurch die Lochplatte 64 relativ zum Rahmen 66 festgelegt wird. Der aus Maske und Rahmen bestehende Aufbau kann dann willkürlich entfernt und ohne weitere Justierung wieder eingesetzt werden.

■ Eine andere wichtige Einstellung der Plattform 18 an der iDruckstation 12 betrifft die Höhe der Oberfläche der Deckplatte 42 der Plattform 18. Diese Einstellung ist wichtig, i damit einerseits verschiedene Dicken von grünen Folien beari beitet werden können und um andererseits zwischen der Maske

ι und der grünen Folie einen Spalt zuzulassen. Dieser Spalt kann für bestimmte Leitungsmuster hoher Leitungsdichte er forderlich sein, um Maske und grüne Folie voneinander zu trennen. Diese Einstellung wird mit Hilfe der in Fign. 5, 6 und 6A gezeigten Vorrichtung erzielt. Eine kreisförmige

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Scheibe 70 ist im oberen Abschnitt 28 des Trägers 13 drehbar gelagert. Die Scheibe 70 weist vier Gruppen von abgestuften Oberflächen auf der Unterseite auf, wie sie in Fign. 6 und 6A gezeigt sind. Vier Lagerzapfen 72 sind selektiv mit den entsprechenden Stufenflächen in jeder Gruppe in Eingriff. Wenn nan also die Scheibe 70 an einem Handgriff 74 dreht, dann kann in jeder der Gruppen von abgestuften Flächen ein anderer Schritt ausgelegt werden, da die abgestuften Flächen unterschiedliche Höhen aufweisen, die beispielsweise 0,025 mm hoch sein können. Die Oberseite der Scheibe 70 trägt die Plattform 18. Damit läßt sich auch die Höhe der Deckplatte in bezug auf den Träger 13 einstellen.

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L e e r s e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Bedrucken von mit Ausrichtbohrungen ver-—' sehenen grünen keramischen Folien mit einem aus einer Paste bestehenden Muster, mit einer Eeschichtungsstation, einer Druckstation und einer an der Druckstation angeordneten SchaLlonennaske, gekennzeichnet durch einen Träger (13, 18) für die grüne keramische Folie und Mitteln (20) zum Ausrichten diener Folie sowie durch eine Einrichtung (22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36) mit deren Hilfe der Träger zunächst in vaagrechter und dann in senkrechter Richtung in eine Druckposition unter der Schablonenmaske und umgekehrt verfahrbar ist und durch einen an der Druckstation (14) angeordneten Druckkopf (16) zum Aufdrucken des Musters durch die Schablonenmaske hindurch auf die grüne keramische Folie.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger, der auf einer waagrechten Bahn gleitend angeordnet ist, aus einem oberen und einem unteren keilförmigen Abschnitt (20, 32) besteht, deren gemeinsame von der Waagrechten abweichende Oberflächen (34) aufeinander zu gleiten vermögen, daß ferner ein erster Abschlag (30) vorgesehen ist, der die weitere Bewegung des oberen Abschnitts begrenzt, jedoch eine weitere Bewegung des unteren Abschnittes in waagrechter Richtung zuläßt und daß eine Antriebsvorrichtung (22, 26) für eine Bewegung in waagrechter Richtung mit dem unteren Abschnitt (32) gekoppelt ist, v/odurch zunächst der gesamte Träger bis zum Anschlag des oberen Abschnittes (28) an dem Anschlag (30) in waagrechter Richtung ί verfahrbar ist und daß bei fortgesetzter Bewegung des unteren Abschnitts (32) in waagrechter Richtung der ; der obere Abschnitt (28) des Trägers durch Gleiten

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auf der schiefen Ebene (34) des unteren Abschnitts (32) in senkrechter Richtung in die Druckposition unterhalb eier Schablonennaske und umgekehrt verfahrbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (13) eine in ihrer Höhe einstellbare, an die Dicke der grünen keramischen Folie anpaßbare Einstellvorrichtung für die Plattform (18) für eine genau ausgerichtete (20) Aufnahme der grünen keramischen Folie aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung aus einer Anzahl kreisförmig auf dem Träger angeordneter mit atgestufen Flächen einer kreisförmigen Einstellscheibe (70) zusammenwirkender Auflageflächen (72) besteht und daß durch Drehen der die Plattform (18) tragenden Einstellscheibe (70) die Höhe der Plattform (18) einstellbar ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform (18) des Trägers (13) zur Aufnahme der grünen keramischen Folie (40) mit Ausrichtstiften (20) und mit einer aus einem porösen Material bestehenden Deckplatte (42) versehen ist, die oberhalb einer mit überdruck oder Unterdruck beschickbaren Kammer (44) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (42) lichtdurchlässig ist und daß in der Kammer (44) für die Sichtbeobachtung der grünen Keramischen Folie während der genauen Ausrichtung eine Lichtquelle (47) angeordnet ist.

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