DE3420966A1 - Siebdruckverfahren und einrichtung zur ausuebung desselben - Google Patents

Siebdruckverfahren und einrichtung zur ausuebung desselben

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DE3420966A1
DE3420966A1 DE19843420966 DE3420966A DE3420966A1 DE 3420966 A1 DE3420966 A1 DE 3420966A1 DE 19843420966 DE19843420966 DE 19843420966 DE 3420966 A DE3420966 A DE 3420966A DE 3420966 A1 DE3420966 A1 DE 3420966A1
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Description

C.CLeemput 1
Siebdruckverfahren und Einrichtung zur Ausübung desselben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Siebdruckverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Ein Verfahren zur Herstellung derartiger elektrischer Schaltkreise ist bekannt aus dem Artikel "Thickfilm or: using metallized thru holes, multilayer structure, and surface mounting components for highest packing density. A study" von M. Bergmann, veröffentlicht in Proceedings of the 4th Eur. Hybrid Microelectronics Conf., Copenhagen, 17. bis 20. Mai 1983.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, durch die es möglich ist, eine große Anzahl von Bohrungen in dem Substrat und ggf. Bohrungen mit verschiedenen Durchmesser in dem Substrat mit einer möglichst gleichmäßigen und ununterbrochenen metallischen Leitschicht zu versehen.
Erfindungsgemäß wird dies durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 13 angegebenen Maßnahmen
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und Merkmale getost. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß auch über einen größeren Fertigungszeitraum eine gleichmäßige Beschichtung aller Bohrungen gewährleistet ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Ver- . fahrens und der Einrichtung wird der Unterdruck in einer Vakuumkammer erzeugt, die unmittelbar dem Substrat benachbart ist und diese Kammer ist mit einem Vakuumvorratsbehälter verbunden, dessen Volumen wesentlich größer ist als dasjenige der Vakuumkammer.
Durch die Anwendung eines Vakuumvorratsbehälters von relativ großem Volumen wird der unter dem Substrat erzeugte Druck während des Siebdruckvorgangs konstant gehalten, obwohl während des Siebdruckprozesses die Anzahl der beschichteten Bohrungen in dem Maße zunimmt, wie die Rakel oder die Quetschwalze über das Substrat bewegt wird, so daß diese Bohrungen kleinere Dimensionen aufweisen als die unbeschichteten.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Siebdruckeinrichtung gemäß der Erfindung mit einer Arbeitsplatte, die im Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die einzelnen Teile in verschiedenen Maßstäben dargestellt sind und
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Fig. 2 einen schematische Draufsicht auf die Arbeitsplatte.
Die dargestellte Siebdruckeinrichtung enthält eine ArbeitspLatte 1, ein Drucksieb 2 und eine bewegliche Rakel 3 oder Quetschwalze, die beide auf der Arbeitsplatte 1 montiert sind. Letztere weist eine Aussparung auf, in der drei unbeweglich angeordnete Fixierelemente 5, 6, 7 und, wie schematisch dargestellt, ein bewegliches Fixierelement 8 angeordnet sind. Der Boden der Aussparung 4 ist mit einer großen Ansaugöffnung 9 versehen. Diese bildet eine Verbindung zwischen der Aussparung 4 und einer Vakuumkammer 10, die durch einen Abschlußdekkel 11 verschlossen ist und ihrerseits über eine erste Leitung 12, ein Ventil 13 und eine zweite Leitung 14 mit einem Vakuumvorratsbehälter 15 verbunden ist. Das Verhältnis der Summe der Volumen des Vakuumvorratsbehälters und der Leitung 14 und der Summe der Volumen der Vakuumkammer 10 und der Leitung 12 ist im wesentlichen etwa 500 : 1, wobei die beiden Leitungen 12 und 14 je einen Durchmesser von etwa 5 cm aufweisen. Die Summe der beiden letztgenannten Einheiten ist etwa 150 cm . Der Vakuumvorratsbehälter 15 ist mit einem Vakuumerzeuger 16 über eine Leitung 17 verbunden und sowohl der Vakuumvorratsbehälter 15 als auch die Vakuumkammer 10 sind an entsprechende Unterdrucksteuereinheiten 18 bzw. 19 über Leitungen 20 bzw. 21 angeschlossen. Die Unterdrucksteuereinheiten 18 und 19 besitzen elektrische Ausgänge, die an Eingänge einer elektrischen Steuereinrichtung 22 angeschlos sen sind, deren Ausgang an einen Steuereingang des Vakuumerzeugers 16 angeschlossen ist. Hierdurch ist ein
— Q _
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Regelkreis gebildet, der die Elemente 16, 14, 10, 18, 19 und 22 umfaßt. Dieser Regelkreis gewährleistet, daß der in den Unterdrucksteuereinheiten 18, 19 gemessene Unterdruck innerhalb von + 10 % eines vorgegebenen Wertes bleibt und insbesondere von diesem Wert maximal um 300 Pa (3 g/cm2) abweicht.
In der Aussparung 4 ist ein quadratisches Keramiksubstrat 23 eingesetzt und durch.das bewegliche Fixierelement 8 gegen die festen Fixierelemente 5, 6 und 7 gedruckt. Das Substrat 23 hat eine Seitenlänge von etwa 5 cm und eine Dicke von 0,076 cm und es ist mit Bohrungen 24 versehen, die sich zwischen den beiden Oberflächen desselben erstrecken. Der Durchmesser dieser Bohrungen 24 beträgt etwa 0,035 cm.
Schließlich ist noch eine allgemeine Steuereinrichtung vorgesehen, die das Drucksieb 2, die Rakel 3 bzw. Quetschwalze, das Ventil 13 und den Vakuumerzeuger 16 steuert und die ihrerseits durch die Unterdrucksteuereinheit gesteuertwird.
Die oben beschriebene Siebdruckeinrichtung arbeitet durch Steuerung mittels der Steuereinheit 25 wie folgt:
Zu Beginn des Druckverfahrens werden die Unterdrucksteuereinheiten 18 und 19 auf vorbestimmte Unterdruckwerte eingestellt, beispielsweise auf 4.400 Pa (44 g/cm ) bzw. auf 4.700 Pa (47 g/cm ), wobei vorausgesetzt ist, daß
der Druckverlust zwischen der Vakuumkammer 10 und dem
2 Vakuumvorratsbehälter 15 etwa 300 Pa (3 g/cm ) entspricht.
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Der Vakuumer zeuger 16 wird dann in Betrieb genommen und aLs Folge davon wird im VakuumvorratsbehaLter 15 der gewünschte Unterdruck von 4.700 Pa (47 g/cm ) erhalten. In der Vakuumkammer 10 wird noch kein Unterdruck erzeugt, da das Ventil 13 noch geschlossen ist. Anschließend wird ein bestimmter Betrag einer elektrisch leitfähigen Paste, beispielsweise DP 9061 oder DP 6120 der Firma Dupont de Nemours, vor die Rakel bzw. Quetschwalze 3 gebracht und diese anschließend über das Drucksieb 2 bewegt. Hierdurch wird auf dem Drucksieb 2 eine Schicht gleichförmiger Dicke erzeugt, die in Form einer vorgesehenen, nicht dargestellten ersten Maske vorhanden ist.
Wenn dieser Verfahrensschritt abgeschlossen ist und die Rakel 3 bzw. Quetschwalze zu ihrer Ausgangsstelle zurückgeführt ist, wird das Ventil 13 geöffnet. Hierdurch wird infolge des oben genannten großen Verhältnisses des Volumens der Leitung 14 und des Vakuumvorratsbehälters einerseits und der Vakuumkammer 10 und der Leitung 12 andererseits der gewünschte Unterdruck von 4.400 Pa C44 g/cm ) sehr rasch in der Vakuumkammer 10 erreicht. Hierauf wird die Rakel 3 abgesenkt und mit einer Geschwindigkeit von etwa 7 cm/sec. über das Substrat 23 gezogen, um die auf dem Drucksieb 2 vorhandene Schicht der elektrisch leitfähigen Paste durch das Drucksieb 2 hindurch auf die Oberfläche des Substrats 23 aufzudrücken. Entsprechend der auf dem Drucksieb 2 vorhandenen ersten Abdeckmaske wird auf der Oberfläche ein erster elektrischer Schaltkreis aufgebracht. Infolge des in der Vakuumkammer 10
- 10 -
C.Cleemput 1
vorhandenen Unterdruckes wird das Substrat 23 fest gegen den Boden der Aussparung 4 gedrückt und die inneren Wandungen der Bohrungen 24 des Substrats 23 werden mit einer Schicht der elektrisch Leitfähigen Paste beschichtet, deren Dicke etwa 50 bis 90 % der Dicke des Substrats 23 beträgt.
Es sei erwähnt, daß infolge des relativ großen Volumens des Vakuumvorratsbehälters 15 der Unterdruck in der Vakkumkammer 10 im wesentlichen konstant bleibt, obwohl infolge der Bewegung der Rakel 3 bzw. der Quetschwalze die Bohrungen 24 im Substrat 23 allmählich mit der Paste beschichtet und damit kleiner werden.
Das so erhaltene bedruckte Substrat 23 wird anschließend getrocknet und ggf. erhitzt, wonach es umgedreht wird und einem erneuten Druckprozeß unterworfen wird. Für diesen Verfahrensschritt erhält das Drucksieb 2 eine zweite Abdeckmaske (in der Zeichnung nicht dargestellt), wobei der Unterdruck in der Vakuumkammer 10 jetzt auf einen Wert von etwa 9.600 Pa (69 g/cm ) eingestellt ist. Dieser höhere Unterdruck kann wegen der Reduzierung der Innendurchmesser der Bohrungen 24 des Substrats 23 erwünscht sein. Auf diese Weise ist ein zweiter elektrischer Schaltkreis auf das Substrat 23 gedruckt und dabei die Beschichtung der inneren Wandungen der Bohrungen 24 ggf.
vervollständigt. Auf diese Weise wird eine elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Schaltkreisen auf den beiden Oberflächen des Substrats 23 erhalten.
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FaLLs der Unterdruck in der Vakuumkammer 10 den gewünschten Wert nicht erreicht, beispieLsweise weiL das Substrat 23 gewöLbt ist, gibt die Unterdrucksteuereinheit 19 ein SignaL an die aLLgemeine Steuereinrichtung 25 aus, die darauf den Druckvorgang unterbricht. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß für ein Substrat großer Abmessungen die Durchbiegung desseLben dadurch verhindert werden kann, daß das Substrat 23 durch ein oder mehrere TeiLe, die in der Aussparung 4 an soLchen SteLLen angeordnet sind, wo das Substrat 23 keine Bohrungen 24 besitzt, unterstützt wird. Diese UnterstützungsteiLehen können beispieLsweise aus magnetischem MateriaL bestehen, wenn der Boden der Aussparung 4 aus MetaLL (aus magnetischem MateriaL) besteht.
Die oben beschriebene Siebdruckeinrichtung hat mit den oben angegebenen Daten beste ResuLtate gezeigt. "ÄhnLiche ResuLtate werden auch erhaLten, wenn foLgende Bedingungen erfüLLt sind:
- das oben beschriebene VoLumenverhäLtnis ist wenigstens 100 : 1;
- das VerhäLtnis der Dicke der Substrate 23 und der Durchmesser der Bohrungen 24 Liegt zwischen 1,5 und 5 : 1;
- die Geschwindigkeit der RakeLbewegung Liegt zwischen 2,5 cm/sec. und 20 cm/sec;
- das VerhäLtnis der Unterdrucke in der Vakuumkammer 10 während des Bedrückens der zweiten und der ersten OberfLäche des Substrats 23 Liegt zwischen 1 und 2,5 : 1;
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- der Unterdruck in der Vakuumkammer 10 bleibt innerhalb einer Grenze von + 10 % seines vorgegebenen Wertes
2 mit einer maximalen Abweichung von 300 Pa (3 g/cm );
- während des Druckvorganges sollte die Viskosität der elektrisch leitfähigen Paste nicht mehr als 30 % über ihren ursprünglichen Wert ansteigen.
Es wurde festgestellt, daß die vorliegende Siebdruckeinrichtung auch dann noch zufriedenstellend arbeitet, selbst wenn die Bohrungen 24 nur noch 0,08 cm von der Kante des Substrats 23 entfernt sind, so daß der Konstrukteur der elektrischen Schaltkreise einen hohen Freiheitsgrad für die Anordnung dieser Bohrungen 24 auf dem Substrat 23 hat.
Das Prinzip der Erfindung wurde anhand des speziellen Ausführungsbeispieles beschrieben; es ist jedoch selbstverständlich, daß diese Beschreibung nur ein Beispiel sein kann und nicht den Schutzumfang der Erfindung begrenzt.
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Claims (16)

  1. INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC
    CORPORATION, NEW YORK
    C.Cleemput 1
    Patentansprüche
    Siebdruckverfahren zur Herstellung von elektrischen 'Schaltkreisen mit wenigstens einer durchkontaktierten Bohrung, wobei eine elektrisch leitfähige Paste mittels einer Rakel oder Quetschwalze durch ein Sieb hindurch auf die eine Oberfläche eines Substrats aufgebracht wird und dabei auf der der Druckseite gegenüberliegenden Seite ein Unterdruck erzeugt wird, so daß zumindest ein Teil der Innenwandung der Bohrungen mit der Paste überzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck während des Druckvorgangs im wesentlichen auf einen vorgegebenen Wert zwischen 1.000 und 20.000 Pa konstant gehalten wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck von einem Vakuumvorratsgefäß (15) entnommen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (23) in unmittelbarer Nähe einer Vakuumkammer (10) vorgesehen wird und die Vakuumkammer (10) mit dem Vakuumvorratsbehälter (15) verbunden wird, wobei dieser ein wesentlich größeres Volumen besitzt als die Vakuumkammer (10).
    ZT/P21-Hs/ki - 2 -
    29.5.1984
    C.CLeemput 1
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck zwischen + 10 % eines vorgegebenen Wertes gehalten wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung vom vorgegebenen Wert auf höchstens 300 Pa gehalten wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rakel (3) oder die Quetschwalze mit einer Geschwindigkeit zwischen 2,5 und 20 cm/sec. über das Drucksieb (2) bewegt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (23) beidseitig bedruckt wird und dabei auf der einen Seite ein gegenüber der anderen Seite unterschiedlicher Unterdruck angewendet wi rd.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten größer als 1 und 2,5 liegt.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (23) verwendet wird, dessen Dicke und deren Durchmesser der Öffnungen (24) sich verhalten wie 1,5 bis 5 : 1.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (23) mit einer Dicke von 0,076 cm und Öffnungen (24) mit einem Durchmesser von 0,035 cm verwendet wird.
    C.CLeemput 1
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckprozeß unterbrochen wird, wenn der Unterdruck nicht innerhalb der Toleranzgrenzen liegt.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskositätsänderung der druckpaste auf 30 % des Anfangswertes begrenzt wird.
  13. 13. Siebdruckeinrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Arbeitsplatte (1), ein Drucksieb C2) und eine über dieses bewegbare Rakel (3) oder Quetschwalze aufweist, daß in der Arbeitsplatte (1) eine mit einer Vakuumkammer (10) in Verbindung stehende Aussparung (14) vorgesehen ist, die über eine erste Leitung (12), ein Ventil (13) und eine zweite Leitung (14) miteinem Vakuumvorrat sbehä Lt er (15) verbunden ist und letzterer wiederum an einem Vakuumerzeuger (16) angeschlossen ist.
  14. 14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (12, 14) einen Durchmesser von wenigstens 5 cm aufweisen.
  15. 15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Summe der Volumina von Vakuumvorratsbehältern (15) und der zweiten Leitung (14) zur Summe der Volumina von Vakuumkammer (10) und der ersten Leitung (12) > 100 : 1 ist.
    C.Cleemput 1
  16. 16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15/ dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der VakuumvorratsbehäLter (15) als auch der Vakuumkammer (10) je eine Steuereinrichtung (18 bzw. 19) zugeordnet ist, die, ggf. über eine zusätzliche Steuereinheit (25) und/oder eine Regeleinrichtung (22), mit dem Vakuumerzeuger (16) einen Rege Ik rei s b iIden .
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