DE4103294A1 - Verfahren zum herstellen von elektrisch leitenden durchkontaktierungen in keramiksubstraten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von elektrisch leitenden Durchkontaktierungen in Keramiksubstraten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der JP-A-Sho-46-2 681, der GB-A-13 52 775, der US-A-37 44 120, der DE-C-23 19 854 und einer Vielzahl weiterer Publikationen ist bekannt, daß bestimmte Metalle, insbesondere Kupfer, in einer ein reaktives Gas enthaltenden Atmosphäre und bei Temperaturen unterhalb des Metallschmelzpunktes unter Bildung eines flüssigen Eutektikums mit Oxidkeramiken haftfest verbunden werden können. Dieses Verfahren wird allgemein als Direct-Bonding-Verfahren bezeichnet.

Bei gedruckten Leiterplatten für die Elektro- und Elektronikindustrie mit Kunststoffen als Basismaterial ist es bekannt und geläufig, zwischen den Leiterbahnen oder Kontaktflächen unterschiedlicher Ebenen elektrisch leitende Durchkontaktierungen durch das Basismaterial hindurch anzufertigen. Diese Durchkontaktierungen können nachträglich oder auch gleichzeitig mit der Anfertigung der Leiterbahnen selbst hergestellt werden. Sobald als Trägermaterial jedoch Keramik verwendet wird, stößt diese Technik auf Schwierigkeiten.

Aus der DE-A-34 34 449 ist ein keramisches Mehrschichtsubstrat und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Hier werden sowohl zur Herstellung der Leiterbahnen als auch der Durchkontaktierungen Siebdruckpasten verwendet, die sowohl Metallpulver als auch Glaspulver enthalten und bei Temperaturen zwischen 600 und 900 Grad C eingebrannt werden.

Das Herstellen von Durchkontaktierungen nach dieser Methode bei Keramiksubstraten mit nach dem Direct-Bonding-Verfahren befestigten Leiterbahnen und Kontaktflächen ist jedoch nachteilig. Zunächst einmal handelt es sich um zusätzliche Arbeitsgänge, dann ist die Leitfähigkeit der eingebrannten Leiterpasten geringer als die von metallischem Kupfer, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingebrannten Pasten unterscheiden sich von dem Ausdehnungskoeffizienten des Kupfers und die Pasten sind in der Regel nicht lötbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches die Herstellung von elektrisch leitenden Durchkontaktierungen im selben Arbeitsgang mit dem Bonden der metallischen Leiterbahnen und Kontaktflächen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das gattungsgemäße Verfahren mit dem Merkmal gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst einfach, schnell und preiswert. Durch das metallhaltige Pulver in der an der gewünschten Stelle vorgesehenen Bohrung im Keramiksubstrat werden so viel Kapillarkräfte erzeugt, daß das Metall der darüberliegenden Leiterbahn bzw. Kontaktfläche in die Öffnung hineingezogen wird und bei sehr feinen Öffnungen die Öffnung ausfüllt, bei etwas weiteren Öffnungen die Bohrungswände haftfest bedeckt.

Das Pulver besteht wie schon erwähnt entweder aus dem puren Metall der Leiterbahnen und Kontaktflächen selbst oder aus einer Legierung bzw. Verbindung. Bezüglich der Metallverbindungen empfiehlt es sich, eine chemische Verbindung zwischen dem Metall und dem für das Direct-Bonding-Verfahren verwendeten Gas zu wählen.

Um die Verarbeitung des Pulvers und das Einfüllen desselben in die Löcher zu erleichtern, kann es mit einem Bindemittel zu einer Paste verarbeitet werden. Dazu eignet sich die Verwendung von Kupferhydroxid.

Wie an sich bekannt, eignet sich als Metall insbesondere Kupfer, als Gas Sauerstoff. Dann empfiehlt es sich, als Pulver Kupfer, Kupferoxid und/oder Kupferhydroxid zu verwenden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch ein Substrat, vorbereitet zum Direct-Bonding-Verfahren und

Fig. 2 den Teilquerschnitt durch das Substrat der Fig. 1 nach dem Direct-Bonding-Verfahren.

Fig. 1 zeigt einen Teilquerschnitt durch ein mit einer durchgehenden Bohrung versehenes Keramiksubstrat 1, üblicherweise aus Aluminiumoxid. Unterseite und Oberseite des Substrats 1 sind mit Metallfolien oder -blechen 2, 3, wegen der guten Leitfähigkeit und des geringen Preises üblicherweise Kupfer, belegt. Die Bohrung im Keramiksubstrat 1 ist mit einem Pulver 4 ganz gefüllt, welches das Metall der Folien oder Bleche 2, 3 enthält, und zwar entweder massiv, als Legierung oder als chemische Verbindung.

In diesem Zustand werden die Teile in einem Ofen, in dem eine Atmosphäre mit einem reaktiven Gas aufrechterhalten wird, auf eine Temperatur aufgeheizt, die oberhalb der eutektischen Temperatur der chemischen Verbindung zwischen Metall und reaktivem Gas und unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls liegt. Im Fall von Kupfer als Metall und Sauerstoff als reaktivem Gas liegt die Prozeßtemperatur bei ca. 1075 Grad C. Bei dieser Temperatur entsteht an der Außenseite der Metallfolien 2, 3 eine flüssige Phase. Die Kapillarwirkung des Kupferpulvers 4 überwindet die Kohäsion der flüssigen Phase, so daß das Kupfermaterial in die Bohrung hineingesaugt wird.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis nach dem Abkühlen. Das Material des oberen Metallblechs 3 hat zusammen mit dem Metallpulver 4 eine Beschichtung 5 der Wand der Bohrung 6 gebildet und sich gleichzeitig mit dem unteren Metallblech 2 verbunden. Falls eine Durchgangsbohrung gewünscht ist, kann der Bereich 7 der unteren Metallfolie 2 ausgebohrt werden.

Ob die Durchkontaktierung wie in Fig. 2 abgebildet, als teilweise offene Bohrung, als offene Durchgangsbohrung oder massiver Metallkontakt ausfällt, hängt im wesentlichen von Durchmesser der Bohrung in der Keramik 1 und von der Dicke der Metallbleche 2, 3 ab. In jedem Fall erhält man sowohl mechanisch als auch elektrisch einwandfreie Durchkontaktierungen, so daß es möglich wird, durch ein abwechselndes Stapeln von Metallfolien und Keramik in einem Arbeitsgang Multilayer-Substrate mit Durchkontaktierungen zu erzeugen, ohne wie bisher auf die speziell für hochbelastete elektrische Bauelemente idealen Eigenschaften der nach dem Direct-Bonding-Verfahren hergestellten Keramik-Kupfer-Substrate verzichten zu müssen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen von elektrisch leitenden Durchkontaktierungen (5) in Keramiksubstraten (1), auf deren Oberflächen Leiterbahnen und/oder Kontaktflächen (2, 3) aus Metall mittels Direct-Bonding-Verfahren befestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die im Keramiksubstrat (1) vorgesehenen Löcher mit einem das Metall enthaltenden Pulver (4) voll gefüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulver (4) eine chemische Verbindung aus dem Metall und dem für das Direct-Bonding-Verfahren verwendeten, reaktiven Gas verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver (4) mit einem Bindemittel zu einer Paste verarbeitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel wenigstens teilweise aus Kupferhydroxid besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall (2, 3) Kupfer, als Pulver (4) Kupfer, Kupferoxid und/oder Kupferhydroxid verwendet werden.