DE4325203A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Vielschichtkeramikplatten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Vielschichtkeramikplatten

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vielschicht­ keramikplatte, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Vielschichtkeramikplatte, die durch Aufstapeln und thermisches Druckverbinden von Rohbögen mit leitfähigen Verdrahtungsmustern zum Verbinden einer Mehrzahl von elektronischen Vorrichtungen und Elementen gebildet wird.
Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das einen Überblick über den Erzeugungsprozeß einer durch Aufstapeln und thermisches Druckverbinden von Rohbögen mit leitfähigen Verdrahtungs­ mustern gebildeten Mehrschichtkeramikplatte gibt. Im Anfangsstadium der Herstellung der Vielschichtkeramik­ platte wird ein Rohbogen angefertigt, in eine benötigte Form geschnitten und mit Durchgangslöchern versehen. An­ schließend wird auf den Rohbogen ein leitfähiges Verdrah­ tungsmuster gedruckt und eine Pressung zum Einebnen kann an ihm durchgeführt werden. Dann wird eine Mehrzahl der oben erwähnten Rohbögen aufgestapelt und thermisch druck­ verbunden. Nach dem thermischen Druckverbinden wird der Randbereich der Rohbögen bearbeitet, um eine vorbestimmte Form zu bilden; die Rohbögen werden bei einer vorbestimmten Temperatur gesintert, eine Plattierung wird auf Bereiche der leitfähigen Verdrahtungsmuster und Verbinder aufge­ tragen; und abschließend werden darauf LSI-Bauelemente montiert.
Zum Beispiel aus der ungeprüften japanischen Gebrauchs­ musterveröffentlichung Nr. 63-170232 ist eine herkömmliche Vorrichtung zur Herstellung von Vielschichtkeramikplatten bekannt, bei der Rohbögen in einer Stapelform gestapelt werden, die Form mit Schrauben oder Bolzen fixiert wird und die Bögen in gestapeltem Zustand thermisch druckver­ bunden und gesintert werden.
Die herkömmliche Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß der Druck im Randbereich der Rohbögen aufgrund von Reibung zwischen dem äußeren Randbereich der Rohbögen und der Innenwandoberfläche der Stapelform geringer als in anderen Bereichen ist. Daher kann kein gleichmäßiger Druck auf die gesamte Oberfläche der Rohbögen ausgeübt werden.
Wenn dieses Phänomen auftritt, wird die Dichte der Roh­ bögen entlang der Oberfläche ungleichförmig. Wie in Fig. 8 gezeigt, wird insbesondere die Dichte im Randbereich 1a und an der der druckbeaufschlagten Oberfläche 1c der Rohbögen 1 gegenüberliegenden Oberfläche 1b niedrig und die Dichte im Zentralbereich der druckbeaufschlagten Ober­ fläche 1c wird hoch.
Wenn die Rohbögen 1 mit der oben erwähnten ungleichmäßigen Dichteverteilung gestapelt, thermisch druckverbunden und dann gesintert werden, treten entlang der Dicke der Roh­ bögen 1 unterschiedliche Schrumpfraten auf. Dadurch wird eine Wölbung der Rohbögen 1, wie in Fig. 10 gezeigt, her­ vorgerufen, da eine Beziehung zwischen der Dichte und der Schrumpfrate beim Sintern der Rohbögen dahingehend besteht, daß die Schrumpfrate beim Sintern um so niedri­ ger ist, je höher die Dichte ist, wie in Fig. 9 gezeigt.
Die Wölbung der Rohbögen verringert die Maßgenauigkeit des leitfähigen Musters und die Herstellungsausbeute und führt zusätzlich zu einer Steigerung der Herstellungs­ kosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer keramischen Vielschichtkeramikplatte mit nach dem thermischen Druck­ verbinden über die Gesamtheit der Rohbögen gleichförmiger Dichte anzugeben.
Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine untere Form, in der eine Mehrzahl von Rohbögen mit darauf gedruckten leitfähigen Verdrahtungsmustern aufge­ stapelt anzuordnen ist; eine obere Form, die in Kontakt mit einer Oberseite des obersten Bogens aus der Mehrzahl von Rohbögen kommt und auf die gestapelten Rohbögen eine Preßkraft in Richtung der unteren Form ausübt; eine Einspannform zum Einspannen der Mehrzahl von Rohbögen in gestapeltem Zustand darin, mit einer Innenwandober­ fläche, die in Kontakt mit Außenwandbereichen der oberen und unteren Form ist, wobei die Einspannform in Richtung der Preßkraft der oberen Form beweglich gehaltert ist und wobei Heizeinrichtungen in der oberen und unteren Form vorgesehen sind.
Gemäß der oben erwähnten Konstruktion kann sich die Ein­ spannform in Verbindung mit der Druckaufschlagsbewegung der oberen Form zur unteren Form hin bewegen. Folglich entsteht keine Reibungskraft zwischen den Außenrandbe­ reichen der Rohbögen und der Innenwandoberfläche der Ein­ spannform.
Folglich wird die Dichte eines ausgeformten Produkts aus den Rohbögen auf der gesamten Fläche gleichförmig und es tritt kein Dichtegradient in Richtung der Dicke der Rohbögen auf.
Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Herstellung von Viel­ schichtkeramikplatten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch laminierte Rohbögen, eingefaßt von Trennbögen.
Fig. 3 ist ein Querschnitt, der ein Verfahren zum Lösen der Rohbögen aus der Form nach dem thermischen Druckverbinden zeigt.
Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung von mit der in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung erzeugten Rohbögen.
Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung einer gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausgestal­ tung erhaltenen Keramikplatte.
Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine andere Ausge­ staltung einer Vorrichtung zur Herstellung von Vielschichtkeramikplatten gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das das Herstellungs­ verfahren von Vielschichtkeramikplatten zeigt.
Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung von mit einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik hergestellten Rohbögen.
Fig. 9 zeigt einen Graphen der Beziehung zwischen der Dichte der Rohbögen und der Schrumpfrate beim Sintern.
Fig. 10 ist eine perspektivische Darstellung einer mit einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik erzeugten Keramikplatte.
In Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen wird nun eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausgestal­ tungen der vorliegenden Erfindung gegeben.
In Fig. 1 der ersten Ausgestaltung bezeichnet das Bezugs­ zeichen 1 einen in einem Ausstreichverfahren erzeugten Rohbogen. Ein leitfähiges Verdrahtungsmuster ist auf dem Rohbogen 1 z. B. in einem Siebdruckverfahren aufgedruckt. 2 und 3 bezeichnen eine obere Form, die auf die Rohbögen 1 drückt, bzw. eine untere Form, auf die die Rohbögen 1 aufgelegt werden. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Einspannform, von der eine Innenwandoberfläche 4a in Kon­ takt mit Außenwandbereichen der oberen Form 2 und der unteren Form 3 kommt und die die Rohbögen 1 innerhalb der Innenwandoberfläche 4a einspannt und gestapelt hält.
Die Einspannform 4 ist durch zwischen einem Befestigungs­ bereich 4c der Form 4 und dem gegenüberliegenden Befesti­ gungsbereich 3b der unteren Form 3 vorgesehene Federn 5 in Richtung der oberen Form beaufschlagt. Die Einspann­ form 4 ist durch Gleiten entlang eines Führungsbereichs 3a der unteren Form auf- und abwärts beweglich, wobei die Innenwandoberfläche 4a in Kontakt mit dem Außenwand­ bereich der oberen Form 2 ist. Heizeinrichtungen 6 sind in der oberen und unteren Form 2 bzw. 3 vorgesehen. Zu­ sätzlich ist die Einspannform 4 mit einem Thermoelement 18 versehen, das die Temperatur der Einspannform 4 mißt, und ein Temperaturregler regelt den Heizstrom der Heiz­ einrichtungen 6, um die Temperatur der oberen und unteren Form 2 bzw. 3 zu steuern.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird in der oben erwähnten Struktur eine Mehrzahl von Rohbögen 1 vor dem Sintern aufgestapelt und auf der unteren Form 3 angebracht, in der die Rohbögen von Trennbögen 8 eingefaßt sind (Fig. 2). Die Plazierung der gestapelten Rohbögen wird durch die Innenwandoberfläche 4a der Einspannform 4 erzielt, da das Außenmaß der Roh­ bögen 1 geringfügig kleiner als das Innenmaß der Einspann­ form 4 ist.
Die Heizeinrichtungen werden dann auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der die thermische Druckverbindung der Rohbögen vonstatten geht. Wenn die Temperatur der Roh­ bögen 1 eine vorgegebene Verarbeitungstemperatur erreicht, wird eine Druckkraft 7 auf die obere Form 2 ausgeübt, um diese abwärts zu bewegen. Dadurch wird die Mehrzahl von Rohbögen 1 thermisch druckverbunden.
Um eine gleichförmige Dichte des ausgeformten Produkts der Rohbögen 1 zu erhalten, wird die Druckkraft für einen vorgegebenen Zeitraum aufrechterhalten. Dann wird zum Entlasten die obere Form 2 nach oben bewegt. Anschließend wird die Beheizung durch die Heizeinrichtungen 6 beendet, und ein Formlöserahmen 19 wird, wie in Fig. 4 gezeigt, auf der Einspannform 4 angebracht. Dann wird die obere Form 2 abwärts bewegt, um die Einspannform 4 abwärts zu schieben, wodurch die Rohbögen 1 von der Ein­ spannform gelöst werden können. Das ausgeformte Produkt der Rohbögen 1 wird herausgenommen, womit der thermische Druckverbindungsprozeß beendet ist.
In dem oben erwähnten thermischen Druckverbindungsprozeß wird die Einspannform 4 mit der Druckbeaufschlagungsbe­ wegung der oberen Form 2 und dem Kompressionshub der Roh­ bögen mit bewegt. Daher entsteht keine Reibungskraft zwi­ schen dem Randbereich der Rohbögen 1 und der Innenwand­ oberfläche der Einspannform 4. Dadurch kann das Problem geringer Druckbelastung entlang des Randbereichs der Roh­ bögen 1 vermieden werden und es wird eine gleichförmige Druckbelastung auf der ganzen Oberfläche der Rohbögen 1 erzielt. Dadurch wird, wie in Fig. 4 gezeigt, die Dichte des aus den Rohbögen 1 ausgeformten Produkts überall gleichförmig, und es tritt kein Dichtegradient in Rich­ tung der Dicke der Rohbögen 1 auf.
Dadurch wird die Keramikplatte 11 nach dem Sintern eben, und es tritt, wie in Fig. 5 gezeigt, keine Wölbung auf, so daß eine gute Keramikplatte mit hoher Maßgenauigkeit erzeugt werden kann.
Es folgt die Beschreibung eines konkreten Beispiels für die obige Vielschichtkeramikplatte 11. Dreißig Rohbögen 11 mit den Außenmaßen von 100 mm Länge × 100 mm Breite × 0,3 mm Dicke mit siebgedruckten leitfähigen Verdrah­ tungsmustern wurden in einer Einspannform 4 mit den Aus­ maßen der Innenwandoberfläche von 100,1 mm Länge × 100,1 mm Breite gestapelt. Die Rohbögen 1 wurden anschließend auf ungefähr 120°C erhitzt und durch Beaufschlagen mit einer Kompressionskraft 7 von ungefähr 10 Tonnen 10 Minuten lang komprimiert. Dadurch konnte ein ausgeformtes Produkt von hoher Qualität ohne Risse im Endbereich der Rohbögen 1 und ohne Dichtegradient in Richtung der Dicke der Roh­ bögen 1 erzeugt werden. Ferner kann, wenn das ausgeformte Produkt aus den Rohbögen 1 bei ungefähr 1600°C gesintert wird, eine Vielschichtkeramikplatte 11 mit hoher Maßge­ nauigkeit erzeugt werden, mit einem Ausmaß der Wölbung von 0,03 mm oder weniger und einer Dispersion der Sinter­ schrumpfrate von ± 0,2%.
Fig. 6 zeigt eine andere Ausgestaltung gemäß der vorlie­ genden Erfindung, bei der Plazierstifte 12 in in der un­ teren Form 3 vorgesehene Löcher 3c eingesetzt sind und durch Plazierlöcher 10 in den Rohbögen 1 verlaufen. So kann eine Mehrzahl von Rohbögen 1 mit höherer Genauigkeit gestapelt werden. Die obere Form 2 ist mit Stiftdurch­ gangslöchern 2a versehen, so daß die Plazierstifte 12 nicht die Abwärtsbewegung der oberen Form 2 stören. Zu­ sätzlich trägt jeweils ein Endbereich eines jeden Pla­ zierstifts 12 einen Gewindebereich 12a. Wenn sich die obere Form 2 abwärts bewegt und die thermische Druck­ verbindung beendet ist, wird an jedem Plazierstift eine Mutter mit größerem Durchmesser als das Stiftdurchgangsloch 2a befestigt. Dadurch bewegen sich die Plazierstifte 12 mit, wenn sich die obere Form 2 nach oben bewegt, so daß die Plazierstifte 12 von den Rohbögen 1 abgezogen werden können.
Bei der oben beschriebenen Struktur kann eine vorbestimmte Anzahl von Rohbögen 1 mit Plazierlöchern 10 in der unteren Form 3 mit Hilfe der Stiftdurchgangslöcher 2a und der Plazierstifte 12 exakt gestapelt werden, solange die obere Form 2 angehoben ist. Dann wird, genauso wie für die erste Ausgestaltung beschrieben, die Temperatur der Heizeinrichtungen 6 auf die thermische Druckverbindungs­ temperatur angehoben. Wenn die Temperatur der Rohbögen 1 daraufhin eine vorgegebene Verarbeitungstemperatur er­ reicht, wird die obere Form 2 mit einer Kompressionskraft beaufschlagt, um sie abwärts zu bewegen und die Mehrzahl von Rohbögen 1 thermisch druckzuverbinden.
Nach der Beendigung der thermischen Druckverbindung wird die Beheizung der Heizeinrichtungen 6 beendet und am Ge­ windebereich 12a eines jeden Plazierstifts 12 wird eine Mutter 12b befestigt. Anschließend wird die obere Form 2 angehoben und die Plazierstifte 12 werden aus den Roh­ bögen 1 herausgezogen. Dann wird genauso wie bei der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausgestaltung das ausgeformte Produkt der Rohbögen aus der Einspannform 4 gelöst. Da­ durch ist der thermische Druckverbindungsprozeß beendet.
Nach der thermischen Druckverbindung wird das ausgeformte Produkt gesintert. Eine Vielschichtkeramikplatte 11, bei der die Maßgenauigkeit der leitfähigen Verdrahtungsmuster nach dem Sintern weiter verbessert ist, wird durch die große Genauigkeit der Plazierung der Rohbögen beim Stapeln erzielt. Natürlich ist die Wölbung und Spannung der Leiterplatte verringert, da die Dispersion der Sinter­ schrumpfrate aufgrund der gleichförmigen Dichte des aus den Rohbögen ausgeformten Produkts klein ist.
Entsprechend der vorangegangenen Beschreibung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Vielschicht­ keramikplatten bewegt sich die Einspannform 4 entsprechend der Bewegung der oberen Form 2 abwärts in Richtung der unteren Form 3. Daher entsteht zwischen dem äußeren Randbereich der Rohbögen 1 und der Innenwandoberfläche der Einspannform 4 keine Reibungskraft.
Dadurch wird die Dichte des aus den Rohbögen ausgeformten Produkts über die Gesamtheit der Rohbögen 1 hinweg gleich­ förmig und es tritt kein Dichtegradient in Richtung der Dicke der Rohbögen 1 auf. Dadurch kann eine Vielschicht­ keramikplatte mit den folgenden Vorteilen erzeugt werden: eine verringerte oder keine Wölbung und Spannung nach dem thermischen Druckverbinden der Rohbögen, hervorragende Maßgenauigkeit der leitfähigen Verdrahtungsmuster und gute Fertigungsausbeute.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Vielschichtkeramik­ platten mit:
einer unteren Form (3), in der eine Mehrzahl von Roh­ bögen (1) mit aufgedruckten leitfähigen Verdrahtungs­ mustern aufgestapelt anzuordnen ist,
einer oberen Form (2), die in Kontakt mit einer Oberseite des obersten Bogens dieser aufgestapelten Rohbögen kommt und eine Preßkraft auf die gestapelten Rohbögen (1) in Richtung der unteren Form (3) ausübt,
einer Einspannform (4) zum Einspannen der Mehrzahl von Rohbögen (1) in gestapeltem Zustand darin, mit einer Innenwandoberfläche (4a) in Kontakt mit Außen­ wandbereichen der oberen und unteren Form, welche Ein­ spannform (4) in Richtung der Preßkraft der oberen Form beweglich gehaltert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in der oberen und unteren Form (2, 3) vorgesehene Heizeinrichtungen (6).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannform (4) ein Thermoelement (18) zum Messen der Temperatur der Rohbögen (1) im gestapelten Zustand enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Temperaturregler, der auf der Grundlage der vom Thermoelement (18) gemessenen Temperatur einen an die Heizeinrichtungen (6) ausgegebenen Strom regelt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch aufrecht von der unteren Form (3) abstehende Plazier­ stifte (12), die zur Ausrichtung der Rohbögen (1) im gestapelten Zustand vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß obere und untere Form (2, 3) Bohrungen zum Einführen der Plazierstifte (12) aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Plazierstift (12) an seinem Endbereich einen nach oben von der oberen Form (2) abstehenden Gewinde­ bereich (12a) aufweist, und daß eine Mutter (12b) mit einem größeren Außendurchmesser als dem Durchmesser der Bohrungen in der oberen Form (2) an jedem der End­ bereiche (12a) der Plazierstifte (12) befestigt werden kann.
8. Vorrichtung zur Herstellung einer Vielschichtkeramik­ platte mit:
einer unteren Form (3), in der eine Mehrzahl von Roh­ bögen (1) mit aufgedruckten leitfähigen Verdrahtungs­ mustern in gestapeltem Zustand anzuordnen ist,
einer oberen Form (2), die in Kontakt mit einer Ober­ seite des obersten Bogens der gestapelten Rohbögen kommt und die gestapelten Rohbögen mit einer Preß­ kraft in Richtung der unteren Form beaufschlagt;
einer Einspanneinrichtung zum Einspannen der Mehrzahl von Rohbögen (1) in gestapeltem Zustand darin, mit einer Innenwandfläche (4a) in Kontakt mit Außenwand­ bereichen der oberen und unteren Form (2, 3), welche Einspannvorrichtung in Richtung der Preßkraft der obe­ ren Form (2) beweglich angebracht ist; und
Heizeinrichtungen (6) in der oberen und unteren Form (2, 3) zum Erhitzen der Rohbögen (1) in gestapeltem Zustand.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspanneinrichtung (4) eine Meßeinrichtung (18) zum Messen der Temperatur der Rohbögen (1) im gestapelten Zustand enthält.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Temperaturregeleinrichtung zum Regeln einer die Heizeinrichtungen abgegebenen Stromstärke auf Grundlage der von der Meßeinrichtung (18) gemessenen Temperatur.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch von der unteren Form aufrecht abstehende Einrichtungen zum Plazieren der Rohbögen (1) im gestapelten Zustand.
12. Verfahren zur Herstellung einer Vielschichtkeramikplatte mit Hilfe einer Vorrichtung mit einer unteren Form (3), in der eine Mehrzahl von Rohbögen (1) mit auf­ gedruckten leitfähigen Verdrahtungsmustern in gesta­ peltem Zustand anzuordnen ist, und einer oberen Form (2), die in Kontakt mit einer Oberseite des obersten Bogens der gestapelten Rohbögen kommt und die gesta­ pelten Rohbögen mit einer Preßkraft in Richtung der unteren Form (3) beaufschlagt, mit den Schritten:
Einspannen der Mehrzahl von Rohbögen in gestapeltem Zustand in eine Einspanneinrichtung (4) mit einer Innen­ wandoberfläche (4a), die in Kontakt mit Außenwandbe­ reichen der oberen und unteren Form (2, 3) kommt und in Richtung der Preßkraft der oberen Form (2) beweglich angeordnet ist;
Anheben der Temperatur der in der oberen und unteren Form zum Beheizen der Rohbögen (1) im gestapelten Zustand vorgesehenen Heizeinrichtungen (6) auf eine vorbestimmte Temperatur, und
Durchführen einer thermischen Druckverbindung der Roh­ bögen (1) im gestapelten Zustand durch Abwärtsbewegen der oberen Form (2).
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Messen der Temperatur der Rohbögen (1) im gestapelten Zustand mit Hilfe einer Temperaturmeßeinrichtung (18) der Einspanneinrichtung (4).
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Regeln eines an die Heizeinrichtungen (6) ausgegebenen Stroms auf Grundlage der von der Meßeinrichtung (18) gemessenen Temperatur.
15. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch das Einführen von Plazierstiften (12), die aufrecht von der unteren Form (3) abstehen, durch in den Roh­ bögen (1) vorgesehene Plazierlöcher.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Plazierstift (12) an seinem Endbereich einen Gewindebereich (12a) aufweist, der nach oben über ein entsprechendes Stiftdurchgangsloch der oberen Form (2) übersteht, und daß nach Beendigung der thermischen Druckverbindung der Rohbögen (1) eine Mutter (12b) mit einem größeren Durchmesser als dem Durchmesser der Stiftdurchgangslöcher in der oberen Form am End­ bereich eines jeden Plazierstifts (12) befestigt wird, und daß die Plazierstifte (12) gleichzeitig mit dem Anheben der oberen Form (2) aus den komprimierten Rohbögen herausgezogen werden.
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