DE4336234C2 - Verfahren zur Herstellung von Multilayerplatten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Multilayerplatten nach der Gattung des unabhängigen An­ spruchs 1. Aus der US 50 85 720 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Multilayerplatten bekannt, bei dem ein Stapel aus grünen Keramikfolien zwischen zwei Platten ge­ brannt wird. In dem Stapel der grünen Keramikfolien sind weiterhin Strukturen für Leiterbahnen und Durchkontaktierun­ gen (Vias) vorgesehen, die aus einem anderen Material beste­ hen als die grünen Keramikfolien. Durch das Zusammenpressen zwischen den beiden Preßplatten wird erreicht, daß der beim Brennen der grünen Keramikfolien auftretende Schrumpf vor­ wiegend in Z-Richtung, d. h. senkrecht auf der Oberfläche der grünen Keramikfolien erfolgt und somit in den XY-Richtungen, d. h. in der Ebene der Keramikfolien, nur ein geringer Schrumpf erfolgt. Durch diese Maßnahmen wird die Maßhaltig­ keit der in der Multilayerplatte angeordneten Leiterbahnen und Vias verbessert. Um ein Anhaften der fertiggestellten Mulitlayerplatten an den porösen Platten zu verhindern, wird beim Brennen zwischen den porösen Platten und den Keramikfo­ lien eine Trennschicht vorgesehen, die aus Keramikpartikeln und einem organischen Polymer besteht und vor dem Sintern des Stapels eine gewisse Flexibilität aufweist. Da sich das in der Trennschicht vorgesehene organische Polymer jedoch bereits in der ersten Phase des Brennens vollständig zer­ setzt, ist eine Flexibilität der Trennschicht während des eigentlichen Sinterprozesses nicht mehr vorhanden.

Aus Muenkel L., "Porous Platens For Mulitlayer Ceramics La­ mination", IBM Techn. Discl. Bulletin, Vol 14, No. 10 March 1972, S. 2868 ist ein Stapel aus grünen Keramikfolien be­ kannt, der unter Einwirkung von Druck bei geringen Tempera­ turen zwischen zwei porösen Platten laminiert wird. Um ein Anhaften des Stapels nach dem Laminieren an den porösen Platten zu verhindern, sind aus Kunststoff bestehende poröse Elastomerschichten vorgesehen. Da sich die Elastomerschich­ ten bei hohen Temperaturen zersetzen, ist eine Elastizität der Schichten während des eigentlichen Sinterprozesses nicht gegeben.

Als nachteilig bei dem bekannten Stand der Technik muß ange­ sehen werden, daß eine auf die unterschiedliche Schrumpfung des Materials der Leiterbahnen und Vias und des Materials der grünen Keramikfolien zurückzuführenden Volumenänderung des Stapels während der eigentlichen Sinterphase zur uner­ wünschten Bildung von Kavitäten führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß unterschiedliche Volumenänderungen des Stapels während des Sinterprozesses durch eine Kompensationsschicht ausgeglichen werden, deren Material einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Sintertemperatur des Stapels aufweist und die somit wäh­ rend des Sinterprozesses in einem flüssigen oder pastösen Zustand vorliegt. Durch die Nachgiebigkeit der Kompensati­ onsschicht wird die gesamte Oberfläche des Stapels beim Sin­ tern mit einem einheitlichen Druck beaufschlagt und so Inho­ mogenitäten bei der fertiggebrannten Multilayerplatte ver­ mieden. Die Qualität der Multilayerplatten wird somit ent­ scheidend verbessert.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. Durch die Trennschichten kann die Ablösung der Kompensati­ onsschicht von der Multilayerplatte bzw. dem Preßelement verbessert werden. Durch ein Verbinden von Kompensations­ schicht und Trennschicht wird das Ablösen der Trennschicht von der Multilayerplatte verbessert. Weiterhin wird dadurch das Auftreten von Keramikschmutz, der beim Entfernen der Trennschichten entsteht, in einer Fertigungslinie vermieden. Metallpasten als weitere Materialien in dem Stapel ermögli­ chen die Ausbildung von Leiterbahnen und Vias. Der Schmelz­ punkt der Kompensationsschicht ist dann so auszulegen, daß er geringer als die Sintertemperatur dieser Metallpasten ist. Zur Ausbildung der Kompensationsschicht kann eine Glas­ paste oder eine grüne Glasfolie verwendet werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 und 2 ein Verfahren zur Herstellung von Multi­ layerplatten nach dem Stand der Technik und die Fig. 3 und 4 das erfindungsgemäße Verfahren.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist ein Stapel 8, bestehend aus drei grünen Keramik­ folien 1 dargestellt. Im Stapel 8 sind weiterhin Vias 4 und Leiter­ bahnen 7 vorgesehen. Der Stapel 8 ist über die Trennschichten 2 zwischen zwei Preßelementen 3 angeordnet.

Die grünen Keramikfolien 1 bestehen in der Regel aus keramischen Partikeln, einem anorganischen und einem organischen Binder. An Keramikpartikeln ist beispielsweise Aluminiumoxid denkbar, der an organische Binder besteht beispielsweise aus Glas und der organische Binder aus einem Kunststoff. Der Stapel 8 wird unter Zusammenpressen der beiden Preßelemente 3 gebrannt. In einer ersten Aufheizphase des Brennprozesses wird der organische Binder ausgetrieben. Dazu muß die Trennschicht 2 gasdurchlässig sein. In der eigentlichen Brennphase werden dann die Keramikpartikel mit dem anorganischen Binder zu einem festen Material versintert. Bei diesem Sinterprozeß kommt es zu starken Volumenänderungen, in der Regel zu einem Schrumpf, des Materials, so daß sich die grünen Keramikfolien 1 zusammenziehen. Durch den durch die Preßelemente 3 ausgeübten Druck wird nun er­ reicht, daß der Schrumpf ausschließlich in Z-Richtung erfolgt und somit die geometrischen Abmessungen in X- und Y-Richtung erhalten bleiben. Die Vias 4 und Leiterbahnen 7 werden in der Regel durch Metallpasten gebildet. Für die Vias werden dazu Öffnungen in die grünen Keramikfolien 1 eingebracht, die mit Metall­ paste gefüllt werden. Für die Leiterbahnen 7 werden Metallpasten auf die grünen Keramikfolien 1 aufgedruckt. Diese Metallpasten bestehen im wesentlichen aus Metallpartikeln, Glas und einem organischen Binder. Beim Brennprozeß wird zunächst der organische Binder in ein Gas umgewandelt und so ausgetrieben. Beim weiteren Brennen werden dann die Metallpartikel mit dem Glas versintert. Dabei kommt es ebenfalls zu einer Volumenänderung, in der Regel einem Schrumpf. In der Fig. 1 wird nun ein Stapel 8 gezeigt, bei dem die Anordnung der Vias 4 und Leiterbahnen 7 stark inhomogen ist, d. h. daß einzelne Bereiche sehr viele Vias 4 und Leiterbahnen 7 aufweisen (hierbei beispielsweise rechter Randbereich und linker Randbereich), während andere Bereiche nur wenige Vias 4 und Leiterbahnen 7 aufweisen (Mittelbereich). Wenn ein derartiger Stapel 8 gebrannt wird, ent­ steht eine Multilayerplatte 5, wie sie in der Fig. 2 gezeigt wird. In der Fig. 2 wird die Multilayerplatte 5 unmittelbar nach dem Brennen gezeigt, bevor die Preßelemente 3 und Trennschichten 2 von der Multilayerplatte 5 entfernt sind. Im mittleren Bereich der Multilayerplatte 5, d. h. in einem Bereich, in dem relativ wenige Vias 4 und Leiterbahnen 7 vorgesehen sind, ist es zur Ausbildung einer Kaverne 6 im Bereich eines Vias 4 gekommen. Weiterhin ist zu sehen, daß in diesem Bereich das Multilayersubstrat starker zu­ sammengeschrumpft ist wie in den Randbereichen, so daß die Trenn­ schicht 2 in diesem Bereich nicht mehr unmittelbar am Preßelement 3 anliegt. Die Ursache dafür ist das unterschiedliche Verhalten des Materials der Vias 4 und Leiterbahnen 7 im Vergleich zum Material der grünen Keramikfolien 1. Die beiden Materialien unterscheiden sich durch ihren Schrumpfprozeß beim Brennen. Die Metallpasten der Vias 4 und Leiterbahnen 7 schrumpfen hier insgesamt weniger als das Material der grünen Keramikfolien 1. Der Schrumpfungsprozeß des Materials der Vias 4 und Leiterbahnen 7 setzt jedoch bei geringeren Temperaturen ein als der Schrumpfprozeß der grünen Keramikfolien 1. Im Gesamteffekt führt das dazu, daß Bereiche mit einer hohen Dichte an Vias 4 und Leiterbahnen 7 beim Sintern der Keramikfolien 1 weniger stark schrumpfen als Bereiche mit einer geringen Dichte von Vias 4 und Leiterbahnen 7. Liegen nun derartige Bereiche nebeneinander, so führt dies dazu, daß beim Sintern durch die Preßelemente 3 die Bereiche geringer Dichte nicht ausreichend zusammengepreßt werden, so daß Kavitäten 6 entstehen. Bei dem be­ kannten Prozeß kann es somit bei stark unterschiedlicher Verteilung der Vias 4 und Leiterbahnen 7 zur Ausbildung von Kavitäten 6 kommen.

In den Fig. 3 und 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren vor­ stellt, welches die Herstellung von qualitativ hochwertigen Multi­ layerplatten auch bei stark inhomogener Verteilung von Vias und Leiterbahnen erlaubt. In der Fig. 3 wird wieder ein Stapel 8, be­ stehend aus drei grünen Keramikfolien 1 gezeigt. Im Stapel 8 ist weiterhin eine stark inhomogene Verteilung von Vias 4 und Leiter­ bahnen 7 angeordnet. Auf der Oberseite und Unterseite des Stapels 8 sind wiederum Trennschichten 2 angeordnet. Auf der Oberseite ist auf der Trennschicht 2 eine Kompensationsschicht 10 vorgesehen, auf die eine weitere Trennschicht 2 aufgebracht ist. Durch zwei Preßelemente 7 kann der Stapel 8 wiederum beim Brennen gepreßt werden. Die Funktionsweise der Kompensationsschicht 10 wird anhand der Fig. 4 verdeutlicht, welche die Multilayerplatte 5, die aus dem Brennvor­ gang des Stapels 8 nach Fig. 3 hervorgegangen ist, unmittelbar nach dem Brennen zeigt. Die bereits aus der Fig. 3 bekannten Schichten sind auch hier wiederum mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Wie zu erkennen ist, hat sich die Kompensationsschicht 10 verformt und gleicht so den unterschiedlichen Schrumpf des Stapels 8 aus. Dadurch wird erreicht, daß auch die starker schrumpfenden Bereiche beim Brennen zuverlässig mit einem Druck in Z-Richtung beaufschlagt werden und so das Auftreten von Kavitäten verhindert.

Die Kompensationsschicht 10 besteht aus einem Material, welches bei der Brenntemperatur nachgiebig ist und so für eine gleichmäßige Ver­ teilung des durch die Preßelemente 3 erzeugten Drucks auf der Ober­ seite des Stapels 8 sorgt. Da der Brennprozeß des Stapels 8 bei hohen Temperaturen, beispielsweise 700 bis 900°C erfolgt, muß die Kompensationsschicht so ausgelegt sein, daß sie in diesem Tempe­ raturbereich eine ausreichende Nachgiebigkeit besitzt. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Glas für die Kompensations­ schicht erreicht werden, wobei der Schmelzpunkt der Kompensations­ schicht 10 geringer sein muß als die Brenntemperatur des Stapels 8. Beim Brennvorgang ist dann die Kompensationsschicht 10 als Flüssig­ keitsfilm ausgebildet, der dann beliebig nachgiebig ist und für eine ebenmäßige Druckverteilung auf der Oberseite des Stapels 8 sorgt. Ein Herausquellen des flüssigen Glases an den Seiten kann dadurch verhindert werden, daß für den Stapel 8 ein Randbereich vorgesehen ist, der für die Funktion der fertigen Multilayerplatte 5 ohne Be­ deutung ist. In diesem Randbereich würde dann die Kompensations­ schicht 10 vollständig herausgedrückt und durch den Kontakt der beiden die Kompensationsschicht 10 umfassenden Trennschichten 2 würde das flüssige Glas im Innenraum eingeschlossen werden. Da in der Regel bei der Herstellung von Multilayerplatten ein Randbereich für das Handling der grünen Keramikfolien bzw. der Multilayerplatten vorgesehen ist, kann das Herausdrücken der Kompensationsschicht 10 im Randbereich in der Regel toleriert werden. Weitere Möglichkeiten, ein Herauspressen der flüssigen Glasschicht zu verhindern, ergeben sich durch Zugabe von Zusatzstoffen, welche die Viskosität des flüssigen Glases beeinflussen. Für die Kompensationsschicht 10 sind somit auch Materialien geeignet, die bei der Brenntemperatur eine pastöse Konsistenz annehmen. Zur Erzeugung einer Kompensations­ schicht 10, die im wesentlichen aus Glas besteht, sind verschiedene Methoden einsetzbar. Besonders einfach kann dazu eine Glaspaste oder grüne Glasfolie verwendet werden. Beide Materialien erlauben auch den Durchtritt der gasförmigen Abbauprodukte der organischen Binder der Keramikfolien 1 bzw. der Metallpasten für die Vias 4 und Leiter­ bahnen 7. Alternativ kann auch eine Glasplatte für die Kompen­ sationsschicht 10 verwendet werden. Dabei muß jedoch sichergestellt werden, beispielsweise durch Anordnung von gasdurchlässigen Schichten auf der Unterseite des Stapels, daß die gasförmigen Ab­ bauprodukte der organischen Binder in der Aufheizphase des Brennvor­ gangs entweichen können. Im Rahmen der erfinderischen Idee sind beliebige Variationen der Anordnung von Plattenstapel 8 und Kompen­ sationsschicht 10 mit oder ohne Trennschichten 2 und Preßelementen 3 vorstellbar. So ist beispielsweise vorstellbar, daß eine Kompen­ sationsschicht sowohl auf der Oberseite wie auch der Unterseite eines Plattenstapels vorgesehen ist. Wenn die Multilayerplatte 5 nach dem Brennen nur von einer Seite weiterbearbeitet werden soll, ist es beispielsweise auch vorstellbar, daß die Kompensationsschicht 10 fest mit der Multilayerplatte 5 verbunden wird. Ebenso konnte toleriert werden, daß sich die Kompensationsschicht 10 fest mit einem Preßelement 3 verbindet. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für die Herstellung von Multilayerplatten 5 mit stark inhomogener Anordnung von Vias 4 und Leiterbahnen 7 geeignet, sondern es kann generell bei allen Verfahren zur Herstellung von Multilayerplatten genutzt werden, bei denen unterschiedlich starke Volumen oder Dickenänderungen beim Brennen der Multilayerplatten auftreten.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von keramischen Multilayern, bei dem mehrere aus einem ersten Material bestehende, grüne Keramikfolien (1), die mit leitfähigen Strukturen (4, 7) aus einem zweiten Material versehen sind, in einem Stapel (8) angeordnet werden, der Stapel (8) anschließend mit gasdurch­ lässigen Trennschichten (2) versehen und unter Druck zwi­ schen zwei Preßelementen (3) gebrannt wird und bei dem an­ schließend die Trennschichten (2) vom Stapel (8) entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwischen ei­ nem Preßelement (3) und dem Stapel (8) zusätzlich eine Kom­ pensationsschicht (10) ausgebildet ist, deren Material einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Sintertemperatur des Sta­ pels (8) aufweist und während des Sinterprozesses in einem flüssigen oder pastösen Zustand vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kompensationsschicht und dem Stapel (8) eine Trennschicht (2) angeordnet ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Kompensationsschicht (10) und dem Preßelement (3) eine Trennschicht (2) vorgesehen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Kompensationsschicht (10) beim Brennvorgang mit der Trennschicht (2) verbindet, so daß die Trennschicht (2) nach dem Brennvorgang an der Kompensationsschicht (10) haftet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kompensationsschicht (10) durch Aufbringen einer Glaspaste gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kompensationsschicht (10) durch eine grüne Glas­ folie gebildet wird.