DE3428259A1

DE3428259A1 - Keramische vielschichtverdrahtungsplatte

Info

Publication number: DE3428259A1
Application number: DE3428259A
Authority: DE
Inventors: Shosaku Kamakura Ishihara; Takashi Yokohama Kuroki; Tatsuji Ibaraki Sakamoto; Gyozo Hino Toda; Akio Shimoinayoshi Ibaraki Yasukawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-08-25
Filing date: 1984-07-31
Publication date: 1985-03-14
Also published as: US4604496A; DE3428259C2; JPS6047495A; JPH025315B2

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Keramische Vielschichtverdrahtungsplatte

Die Erfindung bezieht sich auf eine keramische Vielschichtverdrahtungsplatte.

Allgemein werden keramische Vielschichtverdrahtungsplatten mit durchgehenden Löchern versehen, die mit einem Leiter zum Verbinden der Vielschichtverdrahtungsmuster untereinander gefüllt werden. Bei herkömmlichen keramischen Vielschichtverdrahtungsplatten, wie in Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht, war der Durchmesser jedes mit einem Leiter 2 gefüllten Lochs 3 sowohl in den Oberflächen- als auch in den Innenschichten der Platte 1 gleich. Dies sieht man auch in der Anordnung nach der US-PS 4 345 955.

Solche herkömmlichen keramischen Vielschichtverdrahtungsplatten neigten dazu, daß Risse 4 um die mit dem Leiter gefüllten Löcher 3 herum, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wegen des Unterschieds der . . . . Wärmeausdehnungskoeffizienten des für das Substrat verwendeten keramischen Materials und des Leiters in den Löchern auftraten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine keramische Vielschichtverdrahtungsplatte zu entwickeln, die gegen Rißbildung um die mit einem Leiter gefüllten durchgehenden Löcher herum an beiden Seiten der Platte

sicher ist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine keramische Vielschichtverdrahtungsplatte mit keramischen Isolierschichten und darauf vorgesehenen Verdrahtungsmustern, die mit den keramischen Isolierschichten mittels in den keramischen Isolierschichten gebildete durchgehende Löcher füllender Leiter verbunden sind, mit dem Kennzeichen, daß die Oberflächenteile jedes Lochs an beiden Seiten der keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte von geringerem Durchmesser als der Innenteil des Lochs zwischen den Oberflächenteilen sind.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Diese neue Tatsache des Durchmesserverhältnisses wurde von den Erfindern erstmals als Ergebnis einer Beanspruchungsanalyse des Durchmessers und des Teilungsmaßes der durchgehenden Löcher in der Oberfläche einer keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte und der Tiefe des Lochteils in der Oberfläche der Verdrahtungsplatte zu deren Innenschicht hin nach einem Endlichelementverfahren offenbart.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte;

Fig. 2 eine Skizze zur Darstellung der Bildung feiner Risse rings um die mit einem Leiter gefüllten Löcher in der Oberfläche einer herkömmlichen keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte;

Fig. 3-1 bis 3-5 und Fig'. 4-1· bis 4-3- Ablaufpläne zur " Darstellung der aufeinanderfolgenden Schritte zur Herstellung von kermamischen Vielschichtverdrahtungsplatten gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Lochdurchmesser in der Oberfläche der Platte und der Beanspruchung, die auf die Grenzfläche des mit dem Leiter gefüllten durchgehenden Lochs einwirkt, nach Bestimmung durch Ändern des Zwischenraums der Löcher in der Oberfläche (auf beiden Seiten) einer keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Änderung der auf das keramische Material um die durchgehenden Löcher herum einwirkenden Zugbeanspruchung in der Dickenrichtung.

Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben.

Beispiel 1
Herstellung einer Rohplatte

Pulver von Al₂O₃, SiO₂ und MgO mit einer Teilchengröße von 5 pm oder weniger wurden ausgewogen und vermischt, so daß ihre Anteile 93 bzw. 5,2 bzw. 1,8 Gew. % wurden. Dieser Mischung wurde Polyvinylbutyral als organisches Bindemittel in einer Menge von 8,5 Gew. % auf Basis des Gesamtgewichts der Mischung zugesetzt, worauf ein weiterer Zusatz eines Azeotrops als Lösungsmittel in einer Menge von 45 Gew. % auf Basis des Gesamtgewichts der Mischung folgte.

Diese Materialien wurden in einer Kugelmühle zur Bildung einer Aufschwemmung gut durchgemischt, in der die keramischen Pulver gleichmäßig verteilt waren. Dann wurden einige Tropfen eines Entschäumumgsmittels der Aufschwemmung zugesetzt, und die letztere wurde gerührt und bei vermindertem Druck entlüftet, um Luftzellen in der Aufschwemmung zu beseitigen. Diese Aufschwemmung wurde unter Verwendung einer Abstreif-

messer-Gießmaschine zu einer dünnen Rohplatte gegossen.

In diesem Beispiel wurden zwei Arten von Rohplatten, eine Art mit einer Dicke von 0,25 mm und die andere mit einer Dicke von 0,1 mm, hergestellt.

Herstellung einer leitenden Paste

Ein W (Wolfram)-Pulvermaterial, das aus einer (gewichtsmäßig) 3:7-Mischung von W-Pulver einer Durchschnittsteilchengröße von 0,5 Mm und W-Pulver einer Durchschnittsteilchengröße von 3,0 pm hergestellt war, Äthylzellulose als organisches Bindemittel und Diäthylenglycol als organisches Lösungsmittel wurden im Verhältnis von 80:2,5:17,5 in Gew. % vermischt, und die Mischung wurde mit einem aus einem Aluminiumoxidmörser und einem Stößel bestehenden Zerreibungsgerät 3 h gemahlen und vermischt. Diese Mischung wurde in einer üblichen Dreiwalzenmühle einem 30-minütigen Kneten unterworfen. 100 g dieses gekneteten Materials wurden 3 g Butylcarbitol zugesetzt. Die erhaltene Mischung wurde mit einer Dreiwalzenmühle 10 min geknetet, um eine leitende Paste zu erhalten.

Herstellung einer keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte

Die in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltene, 0,25 mm dicke Rohplatte wurde zu einer 80 mm χ 80 mm-Rohplatte 5 geschnitten, wie sie in Fig. 3-1 dargestellt ist. Diese Rohplatte 5 wurde einem Stanzen mit einer Blankpräge mit einem Karbidstift zur Bildung von insgesamt 2500 durchgehenden Löchern 3 mit einem Durchmesser von 0,15 mm in Abständen von 0,5 mm in 50 Reihen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung unterworfen, wie in Fig. 3-2 angedeutet ist.

Dann wurde die genannte leitende Paste durch Siebdruck auf die Rohplatte 5 aufgebracht, um die Löcher 3 mit der leitenden Paste zu füllen und ein 0,1 mm breites Verdrahtungsmuster auf der Rohplatte

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zu bilden und so eine nichtausgebackene (rohe) Verdrahtungsplatte herzustellen, wie sie in Fig. 3-^. gezeigt ist.

Eine andere im vorhergehenden Schritt erhaltene, 0,1 mm dicke Rohplatte wurde ebenfalls in der oben beschriebenen Weise behandelt (Fig. 3-2), um insgesamt 2500 durchgehende Löcher mit einem Durchmesser von 0,08 mm in Abständen von 0,5 mm in 50 Reihen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung zu bilden, und weiter nach dem Verfahrensschritt nach Fig. 3K3 behandelt, um die Löcher 3 mit der leitenden Paste zu füllen und ein 0,1 mm breites Verdrahtungsmuster auf der Rohplatte 5¹ zu bilden und damit eine nichtausgebackene Verdrahtungsplatte herzustellen (Fig. 3-4).

Dann wurden 18 nichtausgebackene Verdrahtungsplatten nach Fig. 3-3 übereinander gestapelt, um einen Stapel dieser Verdrahtungsplatten zu bilden, und weiter wurden die in Fig. 3-4 dargestellten nichtausgebackenen Verdrahtungsplatten auf die Ober- und Unterseite des Plattenstapels gelegt, so daß das Verdrahtungsmuster an die Außenseite kam, wie in Fig. 3-4 gezeigt ist, und sie wurden durch Heißpressen mit 500 N/cm bei 100 ⁰C laminiert, um eine nichtausgebackene Vielschichtverdrahtungsplatte herzustellen, wie sie in Fig. 3-5 dargestellt ist.

Diese nichtausgebackene Vielschichtverdrahtungsplatte wurde von Raumtemperatur auf 1000 ⁰C mit 200 °C/h in einem kastenförmigen elektrischen Ofen unter Verwendung von Molybdän als Heizelement erhitzt und auf dieserjTemperatur 1 h gehalten. Danach wurde sie erneut mit 200 °C/h bis auf 1600 ° C erhitzt und auf dieser Temperatur 1 h zum Abschluß des Ausbackens gehalten. Hierauf folgte 'die "Abkühlung zum Erhalten einer keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte.

Bei dem vorstehenden Verfahren wurden das Erhitzen und das Abkühlen in einer Atmosphäre einer Wasserdampf enthaltenden Gasmischuhg von

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N₂ und H₂ (5:2) durchgeführt.Zur Schaffung dieser Atmosphäre wurden diese beiden Gase, d. h. N₂ - und H₂-GaS, in den elektrischen Ofen mit Strömungsdurchsätzen von 1000 l/h bzw. 400 l/h durch einen Wasser von 45⁰C enthaltenden Gasspüler eingeführt.

Die erhaltene keramische Vielschichtverdrahtungsplatte hatte eine

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Dichte von 3,5 g/rr, und einen Schrumpfungsfaktor von 14 %.

Die lichtmikroskopische Untersuchung der Flächenbereiche um die 2500 Löcher in der Platte zeigten kein Zeichen von Rissen in diesen Bereichen.

Die so erhaltene keramische Vielschichtverdrahtungsplatte kann auch j in der Verdrahtungsdichte gesteigert werden, da es möglich ist, den Abstand zwischen den mit einem Leiter gefüllten durchgehenden Löchern in der Oberfläche der Verdrahtungsplatte zu verkleinern. Es ist außerdem ein Vorteil der Erfindung, daß sich die Dicke der Vielschichtverdrahtungsplatte im Vergleich mit den herkömmlichen Platten mit gleicher Verdrahtungsdichte verringern läßt. -

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die erfindungsgemäße keramische Vielschichtverdrahtungsplatte gegenüber Verwerfungen sicher ist, auch wenn die Plattendicke verringert wird, da die Front- und die Rückseite der Verdrahtungsplatte von einem untereinander gleichen Aufbau sind.

Beispiel 2

Herstellung einer keramischen Paste

Al₂O₃-, SiO₂- und MgO-Pulver mit einer Maximal teilchengröße von höchstens 5 pm wurden im Verhältnis von 93:5,2:1,8 in Gew. % vermischt. 100 g dieser Mischung wurden 0,5 g Äthylzellulose und 5,5 g Polyvinyl-

3 butyral -als organisches Bindemittel und 36 cm Trichloräthylen sowie 8 cm Perch!oräthylen als organisches Lösungsmittel zugesetzt. Diese

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Materialien wurden in der gleichen Weise vermischt und geknetet, wie im Abschnitt "Herstellung einer leitenden Paste" im Beispiel 1 beschrieben ist, um eine keramische Paste zu erhalten.

Herstellung einer keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte

Eine 80 mm χ 80 mm χ 0,25 mm dicke Rohplatte, die in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 hergestellt war, wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 behandelt, um insgesamt 2500 durchgehende Locher zu bilden, die alle einen Durchmesser von 0,15 mm hatten und in Abständen von 0,5 mm in 50 Reihen sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung angeordnet waren.

Diese Rohplatte wurde dem Siebdruck unterworfen, um die Löcher 3 mit einer leitenden Paste 2, wie sie im Beispiel 1 verwendet wurde, zu füllen und so eine Rohplatte gemäß Fig. 4-1 zu erhalten.

Die oben erwähnte keramische Paste wurde durch Siebdruck auf eine Seite jeder der beiden Rohplatten aufgebracht, um eine 0,1 mm dicke gedruckte Schicht 10 mit durchgehenden Löchern 9 an einer Seite der 80 mm χ 80 mm χ 0,25 mm dicken Rohplatte 5 vorzusehen, wie in Fig. 4-2 gezeigt ist. Dann wurde weiter eine wie im Beispiel 1 verwendete leitende Paste durch Siebdruck aufgebracht» um die durchgehenden Löcher mit der leitenden Paste zu füllen und ein 0,1 mm breites Verdrahtungsmuster 8 zu bilden.

Auch wurde die 80 mm χ 80 mm χ 0,25 mm dicke Rohplatte mit 2500 durchgehenden Löchern nach der gleichen Weise wie im Beispiel 1 versehen, und 18 solche Rohplatten wurden durch Obereinanderlegen gestapelt. Dann wurde die mit der gedruckten Schaltung ausgebildete Rohplatte auf beide Seiten des Stapels der 18 Platten gelegt, so daß die bedruckte Schicht zur Außenseite lag, und sie wurden nach dem Verfahren gemäß Beispiel 1 laminiert und ausgebacken, um eine keramische Vielschichtverdrahtungsplatte herzustellen (Fig. 4-3).

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Die so erhaltene keramische Vielschichtverdrahtungsplatte hatte

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eine Dichte von 3,5 g/cm und einen Schrumpfungsfaktor von 14 %.

Die lichtmikroskopische Untersuchung der Bereiche um die 2500 durchgehenden Löcher in der Platte ergaben das gleiche Ergebnis, wie es bei dem Erzeugnis nach Beispiel 1 erhalten wurde.

Es wurde auch gefunden, daß die so erhaltene keramische Vielschichtverdrahtungsplatte die gleichen ausgezeichneten Vorteile aufwies, wie sie bei dem Erzeugnis des Beispiels 1 festgestellt wurden.

Beispiel 3

Fig. 5 ist ein Diagramm zur Darstellung des Ausmaßes der Beständigkeit der keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte gegen Rißbildung ringsum die durchgehenden Löcher in Beziehung zum Lochdurchmesser (mm) auf beiden Seiten der Platte, wenn die Abstände zwischen den Löchern variable Werte von 0,2 mm, 0,3 mm, 0,5 mm bzw. 1 mm hatten. Im keramischen Substrat

treten Risse auf, wenn eine Beanspruchung über 100 N/mm auf die Grenzfläche zwischen dem die Löcher füllenden Leiter und dem keramischen Substrat einwirkt.

Man sieht, daß der maximale Lochdurchmesser, bei dem keine Rißbildung auftritt, für den Abstand von 0,2 mm 0,103 mm, für den Abstand von 0,5 mm 0,145 mm und für den Abstand von 1,0 mm 0,268 mm ist.

Beispiel 4

Fig. 6 zeigt die Höhe der Zugbeanspruchung, die auf das keramische Substrat im Kontakt mit dem Leiter 2 in jedem durchgehenden Loch 3 in Abhängigkeit von der Lochtiefe von der Plattenoberfläche aus einwirkt. Es ist festzustellen,daß kein Riß um die Löcher herum entsteht, wenn der Lochdurchmesser bis in die Tiefe von 0,1 mm von der Oberfläche der keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte aus verringert wird.

Vergleichsbeispiel

Rohplatten von 80 mm χ 80 mm χ 0,25 mm wurden nach dem Verfahren des Beispiels 1 hergestellt, und jede Platte wurde mit 2500 durchgehenden Löchern von 0,15 mm Durchmesser in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 versehen. Dann wurden die Löcher mit der Leiterpaste gefüllt, und ein 0,1 mm breites Verdrahtungsmuster wurde gemäß den Verfahrensschritten nach Beispiel 1 aufgedruckt.

20 Stücke der so hergestellten nichtausgebackenen Verdrahtungsplatten wurden durch Heißpressen und Ausbacken nach den im Beispiel 1 angewandten Verfahren laminiert, um eine keramische Vielschichtverdrahtungsplatte herzustellen.

Die lichtmikroskopische Untersuchung der Bereiche um die durchgehenden Löcher auf beiden Seiten dieser keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte zeigten einen Rißbildungsanteil von 45 %.

Claims

Ansprüche

1. Keramische Vielschichtverdrahtungsplatte mit keramischen Isolierschichten und darauf vorgesehenen Verdrahtungsmustern, die mit den keramischen Isolierschichten mittels in den keramischen Isolierschichten gebildete durchgehende Löcher füllender Leiter verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die OberflächenteiIe jedes Lochs (3) an beiden Seiten der keramischen Vielschichtverdrahtungsplatte (1) von geringerem Durchmesser als der Innenteil des Lochs (3) zwischen den Oberflächenteilen sind.

2. Vielschichtverdrahtungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Oberflächenteile 0,1 mm oder weniger ist.

3. Vielschichtverdrahtungsplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Lochs (3) 0,103 mm oder weniger ist, wenn der Abstand zwischen den Löchern (3) 0,2 mm ist.

4. Vielschichtverdrahtungsplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Lochs (3) 0,H5mm oder weniger ist, wenn der Abstand zwischen den Löchern (3) 0,5 mm ist.

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5. Vielschichtverdrahtungsplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Lochs (3) 0,268 mm oder weniger ist, wenn der Abstand zwischen den Löchern (3) 1 mm ist.