DE4201612A1 - Verfahren zur galvanischen metall- und legierungseinbringung in glas- oder glaskeramikkoerper und zum fuegen von metall mit glas bzw. glaskeramik - Google Patents
Verfahren zur galvanischen metall- und legierungseinbringung in glas- oder glaskeramikkoerper und zum fuegen von metall mit glas bzw. glaskeramikInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanischen Metall-
oder Legierungseinbringung in Glas- oder Glaskeramikkörper
und zum Fügen von Metall mit Glas bzw. Glaskeramik.
Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird eine
spannungsarme Verbindung von Glas mit Metall realisiert.
Verwendet man einen mikrostrukturierten Glaskeramikkörper,
ist eine Fertigung von Mikrobaugruppen mit speziellen
mechanischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften
möglich.
Wird eine Hohlraumausfüllung- und/oder Hohlraumschaffung
mehrere Male nacheinander durchgeführt, entstehen Mehrmetall-
oder freie Metallstrukturen.
Glas- oder Glaskeramiksubstrate für die Elektrotechnik/Elektronik
können mit isolierten Metalleinlagerungen, Leiterbahnen,
Kontakt- und Kühlflächen durch ein und dasselbe Verfahren
versehen werden.
Mit dem Verfahren ist des weiteren eine Gütekontrolle der
eingebrachten Hohlräume möglich, indem die durchgehenden
Hohlräume mit Metall ausgefüllt werden, anschließend der
Glaskörper (z. B. durch Ätzen) entfernt wird und eine Beurteilung
der freistehenden Metallstrukturen (z. B. REM) erfolgt.
Bekannt sind vielfältige Verfahren zur Aufbringung von Metallen
auf die Oberfläche von Substraten jeglicher Art.
Speziell zur Metallisierung von Glas und Keramik sind Drucken
mit mit Metall gefüllten Pasten oder Lacken, Zersetzung
metallorganischer Verbindungen, Abscheiden von Metallschichten
aus der Gasphase und naßmechanische Verfahren bekannt
und teilweise verbessert bzw. weiterentwickelt worden (z. B.
DE 40 23 619, DE 39 28 435).
Gemäß DE 37 10 190 und DE 39 22 233 ist mit Hilfe verschiedener
Fotoverfahren ein selektives Aufbringen von Strukturen,
vorzugsweise zum Zweck der Realisierung von Leiterbahnen,
möglich.
Weiterhin gibt es Verfahren, die sich aus der Kombination
Dickschichttechnik und galvanische Verstärkung der Metallschicht
ableiten (z. B. DE 34 33 251).
Bei vorstehend genannten Verfahren, die ein Aufbringen von
Metallen, leitfähigen Strukturen oder ähnlichem auf die Oberfläche
eines Substrates beinhalten, ist die Haftung der
aufgebrachten Schicht unsicher. Vielfach machen sich komplizierte
Behandlungsverfahren der Oberfläche, Haftvermittler
oder Adhäsionsmittel erforderlich. Es ist nur bedingt möglich,
sehr feine Leiterzüge mit großem Querschnitt,
verschleißfeste Kontakte und voluminöse Metallflächen
(z. B. als Kühlflächen) mit dem gleichen Verfahren herzustellen.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird Metall-
oder Metalloxidpulver auf die Oberfläche eines Glassubstrates
aufgebracht, das Substrat über die Erweichungstemperatur
erwärmt und das Metallpulver eingedrückt (DE 32 31 181).
Dieses Verfahren beseitigt Haftungsprobleme auf der Substratoberfläche,
jedoch sind die zu erreichenden Strukturbreiten
und die Genauigkeit der Strukturen für Anwendungen in der
Mikrosystemtechnik nicht ausreichend.
Dieses Verfahren kann nicht für Teile von Funktionseinheiten,
Kühlflächen oder ähnliches genutzt werden.
Neben dem Aufbringen von Leiterbahnen ist bei einer anderen
Gruppe von Lösungen (z. B. DE 39 28 832, DE 38 06 884) ein
Durchkontaktieren möglich.
Diese Lösungen beziehen sich im wesentlichen auf polymere
oder keramisches Trägermaterial und sind für die Herstellung
von Leiterplatten, nicht aber für die Anwendung in der Mikrosystemtechnik,
geeignet.
DE 31 21 131 beschreibt ein Verfahren, mit dem Leiterbreiten
von 50 bis 100 Mikrometer zu realisieren sind und ein Durchkontaktieren
möglich ist. Es kommt das Substraktionsverfahren
zur Anwendung. Daraus ergibt sich das Problem, daß ein vollständig
mit Metall beschichtetes Substrat nötig ist. Das
Problem reduziert sich auf diese Metallbeschichtung, was
einen Einsatz dieses Verfahrens für traditionelle Leiterplatten,
nicht aber für Glassubstrate in der Mikrosystemtechnik
rechtfertigt.
Eine Metallfüllung von Durchgangslöchern (0,33 mm Durchmesser)
eines Al₂O₃-Substrates wird in DE 39 36 322 beschrieben.
Das Verfahren beruht auf dem Prinzip des Aufspachtelns von
Metallpasten und einem nachfolgenden Sintern. Die eingebrachte
Metallstruktur dient zur Wärmeabfuhr einer Hybrid-Mikroschaltung
durch das Substrat hindurch. Für eine Realisierung
feinster Leiterzüge ist es nur bedingt geeignet.
Ein Verfahren zum Aufbringen von Kontaktstellen auf die Oberfläche
von Glassubstraten wird in DE 37 40 741 vorgestellt.
Dieses Verfahren stellt eine Weiterentwicklung bereits behandelter
Verfahren dar, bei dem der Schwerpunkt auf der Lötfähigkeit
der aufgebrachten Strukturen liegt.
In DE 37 40 741 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Leiterstrukturen
in Nuten eines Substrates, vorzugsweise aus
Al₂O₃, die auf der Oberfläche angeordnet sind, eingebracht
werden. Die Haftung der Leiterstrukturen erfolgt über eine
geeignete Wahl der Nutengeometrie.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß die Leiterstrukturen
nur auf der Oberfläche, bis in eine geringfügige Tiefe des
Substrates, vorhanden sind, was sich sehr nachteilig auf die
Wärmeabfuhr von Funktionseinheiten, für welche große durchgehende
Metallflächen günstiger sind, auswirkt. Die Schaffung
von freien Strukturen wird durch das verwendete Al₂O₃-Substrat
relativ kompliziert, wenn nicht unmöglich. Des weiteren
wird der verwendete Effekt der Abscheidung auf drei Seiten
der Nuten, bei Nuten mit sich sehr stark unterscheidenden
Breiten nicht zum vollständigen Ausfüllen der Nuten führen,
was bedeutet, daß das Verfahren nur für bestimmte Nutenbreiten
ohne größere Variation zum Einsatz kommen kann.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens,
mit dem Metall-Glas-Verbundkörper zur umfassenden Anwendung
hergestellt werden können, wobei sowohl Makro- als
auch Mikrometallstrukturen und Metallstrukturen mit extremem
Aspektverhältnis mit ein und demselben Verfahren herzustellen
sind, eine feste formschlüssige Verbindung Glas-Metall gegeben
ist und die Möglichkeit einer Mehrfachstrukturierung
besteht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Ansprüchen
1 bis 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
Dabei werden Glas- oder Glaskeramikkörper mit eingebrachten
oder bereits vorhandenen durchgehenden Hohlräumen und einer
Dicke von wenigen Mikrometern bis einigen Millimetern mit
einer Metallschicht oder Metallfolie in Verbindung gebracht,
wobei dies durch Anpressen, Kleben mittels spezieller Verfahren
oder auf andere geeignete Weise erfolgen kann, die Glas-
oder Glaskeramikkörper mittels einer Halterung in das Elektrolysebad
eingebracht und die Strukturen durch galvanische
Metallabscheidung gefüllt werden.
Nach der vollständigen Ausfüllung aller Strukturen wird der
Glas- oder Glaskeramikkörper entnommen, gespült und je nach
Verwendungszweck einer Nachbehandlung unterzogen. Ein besonderer
Haftungseffekt des in das Substrat eingebrachten Werkstoffes
wird durch eine Ausfüllung von kleinsten geometrischen
Bezirken in den Seitenwänden der Strukturen erzielt.
Als Herstellungsverfahren für die Strukturen kommen
Ätzverfahren, Laserbearbeitung oder ähnliches zur Anwendung,
vorausgesetzt, mit dem verwendeten Verfahren wird eine ausreichende
Oberflächenstrukturierung der Seitenwände und ein
durchgehender Hohlraum erreicht.
Die Ausfüllung dieser Mikrostruktur mit Metallen sowie
ein nachfolgender Temperprozeß und damit eine Verstärkung der
Haftung Glas-Metall durch Diffusion wirken sich positiv auf
die mechanische und thermische Stabilität des Glas-Metall-
Verbundes aus.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin,
daß unterschiedlichste Geometrien der Hohlräume mit ein und demselben Verfahren gleichzeitig auszufüllen sind (großes Aspektverhältnis, große Flächen, feinste Hohlraumbreiten),
daß immer wieder auftretende Haftungsprobleme bei der Aufbringung von Metallen auf die Oberfläche von Gläsern durch eine formschlüssige Verbindung Metall-Glas an den Hohlraumseitenwänden, die nach einem Temperprozeß durch Diffusion verstärkt werden kann, gelöst werden,
daß eine vielfältige Schutzfunktion des Glas- oder Glaskeramikkörpers für eingebrachte Metalle, insbesondere gegen mechanische Beschädigung, infolge der Einbringung ins Volumen besteht,
daß eine Verbindung der signifikanten Eigenschaften beider Werkstoffe in einem Körper (z. B. guter elektrischer Leiter - Isolator) möglich wird,
daß die Variation der Gläser und Metalle nur dahingehend eingeschränkt ist, daß die Gläser durchgehende Hohlräume aufweisen müssen und die Metalle bzw. Legierungen galvanisch abscheidbar sein müssen,
daß es möglich ist, in ein und demselben Hohlraum verschiedene Metalle/Legierungen mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften schichtweise einzubringen,
daß in einem zweiten Ätzprozeß freigelegte Metallstrukturen mechanische, elektrische und/oder magnetische Funktionen übernehmen können und
daß ein mechanisch und thermisch belastungsarmes Verbinden von Metall mit Glas möglich wird, was zu einer relativ spannungsarmen Fügestelle führt.
daß unterschiedlichste Geometrien der Hohlräume mit ein und demselben Verfahren gleichzeitig auszufüllen sind (großes Aspektverhältnis, große Flächen, feinste Hohlraumbreiten),
daß immer wieder auftretende Haftungsprobleme bei der Aufbringung von Metallen auf die Oberfläche von Gläsern durch eine formschlüssige Verbindung Metall-Glas an den Hohlraumseitenwänden, die nach einem Temperprozeß durch Diffusion verstärkt werden kann, gelöst werden,
daß eine vielfältige Schutzfunktion des Glas- oder Glaskeramikkörpers für eingebrachte Metalle, insbesondere gegen mechanische Beschädigung, infolge der Einbringung ins Volumen besteht,
daß eine Verbindung der signifikanten Eigenschaften beider Werkstoffe in einem Körper (z. B. guter elektrischer Leiter - Isolator) möglich wird,
daß die Variation der Gläser und Metalle nur dahingehend eingeschränkt ist, daß die Gläser durchgehende Hohlräume aufweisen müssen und die Metalle bzw. Legierungen galvanisch abscheidbar sein müssen,
daß es möglich ist, in ein und demselben Hohlraum verschiedene Metalle/Legierungen mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften schichtweise einzubringen,
daß in einem zweiten Ätzprozeß freigelegte Metallstrukturen mechanische, elektrische und/oder magnetische Funktionen übernehmen können und
daß ein mechanisch und thermisch belastungsarmes Verbinden von Metall mit Glas möglich wird, was zu einer relativ spannungsarmen Fügestelle führt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen
sind dargestellt:
Fig. 1: Probenhalter,
Fig. 2: Schema der Kupferabscheidung in Hohlräumen (senkrechte
Seitenwände),
Fig. 3: Schema der Kupferabscheidung in Hohlräumen (schräge
Seitenwände).
Im ersten Ausführungsbeispiel wird die galvanische Einbringung
von Kupfer in ein strukturiertes Substrat von 60 Millimeter
Durchmesser zur Verwendung als Leiterzüge mit verschiedenen
Querschnitten näher beschrieben.
Die elektrische Kontaktierung wird in diesem konkreten Anwendungsfall
mittels einer Kupferfolie vorgenommen. Diese
wird durch elektrolytisches Glänzen, alkalisches Entfetten
und Dekapieren in geeigneten speziellen Bädern vorbehandelt.
Das strukturierte Glassubstrat und die vorbehandelte Folie
werden in einen Probenhalter, dargestellt als Fig. 1,
eingelegt.
Durch das Verschrauben des Probenhalters werden ein Andrücken
der Metallfolie an das Substrat durch die Platte 4
und die Feder 5 und über die Kathode 2, die Feder 5 sowie den
Anschluß 6 die elektrische Kontaktierung realisiert. Ein
Abdichten erfolgt durch Anpressen der Dichtung 3 an das
Gehäuse 1.
Der Probenhalter wird in den Kupferelektrolyt eingebracht,
und die Abscheidung erfolgt.
Nach vollständigem Ausfüllen aller Hohlräume wird das
Substrat entnommen und gespült. Es schließen sich Arbeitsgänge
zur Entfernung von Überwachsungen und der Metallfolie
an.
Im zweiten Ausführungsbeispiel wird das "Nageln" einer Glasakeramikplatte
an eine Kupferplatte beschrieben.
Eine Kupferplatte beliebiger Dicke und Größe wird durch elektrolytisches
Glänzen, alkalisches Entfetten und Dekapieren
vorbehandelt.
In eine Scheibe aus strukturierbarer Glaskeramik werden an
den gewünschten "Nagelstellen" runde durchgehende Hohlräume
eingebracht.
Die Glaskeramikplatte ist auf geeignete Weise an die Metallplatte
anzudrücken. Ist die Metallplatte größer als die Glaskeramikplatte,
werden die überstehenden Strukturen mit
üblichen Mitteln isoliert.
Diese Anordnung wird in einen galvaniküblichen Kupferelektrolyten
eingebracht, und die Abscheidung erfolgt (Fig. 2)
beginnend an der kathodisch kontaktierten Kupferplatte 7 in
den durchgehenden Hohlraum 8 des Glaskeramikkörpers 9 hinein.
Ist der Hohlraum vollständig mit Metall ausgefüllt, beginnt
infolge der primären Feldverteilung an den mit Kupfer
gefüllten Hohlräumen die Ausbildung einer kugelförmigen Überwachsung
10.
Bei Erreichen der gewünschten Größe der Überwachung ist die
Abscheidung abzubrechen.
Wird eine Strukturierung der Glaskeramikplatte entsprechend
Fig. 3 durchgeführt, wird bei rechtzeitigem Abbrechen der
Abscheidung (bevor die Oberkante 11 erreicht ist) eine versenkte
Ausführung des "Nagelkopfes" möglich.
Im Ergebnis der Abscheidung entsteht eine mechanisch feste,
formschlüssige Verbindung zwischen Glas- und Metallplatte,
die infolge der galvanischen Metallabscheidung keine zusätzlichen
Spannungen im Glas hervorruft.
Claims (7)
1. Verfahren zur galvanischen Metall- oder Legierungseinbringung
in Glas- oder Glaskeramikkörper und zum Fügen von
Metall mit Glas bzw. Glaskeramik,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - sich durchgehende Hohlräume in einem Glas- oder Glaskeramikkörper befinden, wobei
- - an dem Glas- oder Glaskeramikkörper zur kathodischen Kontaktierung eine Metallschicht als Substrat, vorzugsweise in Form einer Metallfolie, angebracht wird und
- - die Ausfüllung der Hohlräume mit Metallen oder Legierungen an der kathodisch kontaktierten Basisfläche der Hohlräume beginnt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
bereits vorhandene oder gezielt geschaffene Hohlräume
verschiedenster Geometrie, auch mit extremem Aspektverhältnis,
mit Metall gefüllt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Werkstoffverbindung Glas-Metall formschlüssig, unter
Nutzung der freigeätzten Mikrostruktur des Glases, ist und
nach einem Temperprozeß durch Diffusion verstärkt werden
kann.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
schichtweise verschiedene Metalle und/oder Legierungen in
die Hohlräume eingebracht werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat nach der galvanischen Behandlung entfernt
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Grenzfläche zwischen den Werkstoffen frei- bzw. der
Glas- oder Glaskeramikkörper weggeätzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die neu entstehenden Hohlräume erneut mit galvanisch abscheidbaren
Metallen ausgefüllt werden.
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|---|---|---|---|
| DE19924201612 DE4201612C2 (de) | 1992-01-22 | 1992-01-22 | Verfahren zur galvanischen Metall- und Legierungseinbringung in strukturierte Glas- oder Glaskeramikkörper und Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von Metallverbunden |
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| DE19924201612 DE4201612C2 (de) | 1992-01-22 | 1992-01-22 | Verfahren zur galvanischen Metall- und Legierungseinbringung in strukturierte Glas- oder Glaskeramikkörper und Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von Metallverbunden |
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| DE4201612C2 DE4201612C2 (de) | 1996-07-18 |
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ID=6450008
Family Applications (1)
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| DE19924201612 Expired - Fee Related DE4201612C2 (de) | 1992-01-22 | 1992-01-22 | Verfahren zur galvanischen Metall- und Legierungseinbringung in strukturierte Glas- oder Glaskeramikkörper und Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von Metallverbunden |
Country Status (1)
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- 1992-01-22 DE DE19924201612 patent/DE4201612C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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| DE4201612C2 (de) | 1996-07-18 |
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