DE4436644A1 - Keramiksubstrat und Verfahren zum Herstellen eines metallisierten Keramiksubstrats - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramiksubstrat gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines metallisierten Keramiksubstrats gemäß Oberbegriff des Anspruchs 4.

Keramiksubstrate auf der Basis von Aluminiumoxid (Al₂O₃) haben zwischenzeitlich in verschiedenen Bereichen der Technik Eingang gefunden. Von besonderem Interesse ist der Einsatz in der Elektroindustrie, speziell auf dem Gebiet der Elektronik, wo derartige Keramiksubstrate als Leiterplattensubstrat Verwendung finden. Das Substrat dient hierbei als Träger, auf dem Schaltungen aufgebracht sind. Hierzu ist es erforderlich, auf das Trägermaterial metallische Schichten als Leiterbahnen aufzubringen und anschließend aktive und passive Bauelemente einzusetzen.

Die Leiterbahnen bestehen aus mehr oder weniger dünnen Schichten von Metallen, wobei je nach Anforderung in der Regel Gold, Silber, Kupfer oder Legierungen derselben ver­ wendet werden. Das Aufbringen derartiger Metallschichten auf das Substrat bereitet häufig Schwierigkeiten, insbesondere bei miniaturisierten Schaltungen, bei denen teilweise extrem dünne Leiterbahnen dicht nebeneinanderliegend realisiert werden müssen. Hierfür gibt es eine Reihe etablierter Ver­ fahren, wie beispielsweise das Aufbringen einer Silber-Pal­ ladium enthaltenden Paste im Siebdruckverfahren und an­ schließendes Einbrennen. Eine Alternative hierzu stellt das selektive Galvanisieren von Substraten dar, bei dem das Substrat zunächst angeätzt und mit Palladium bekeimt werden muß. Dies ist deshalb erforderlich, um eine ausreichende Haftung der Metallschicht auf dem Substrat zu erzielen.

Das Problem tritt insbesondere bei der Verwendung von Alu­ miniumoxid (Al₂O₃) als Basismaterial für derartige Substrate auf, da dieses Material chemisch resistent ist und auf herkömmliche Art und Weise nicht angeätzt werden kann. Wegen der im übrigen jedoch äußerst vorteilhaften Eigen­ schaften, wie hohe Wärmeleitfähigkeit, Temperaturwechselbe­ ständigkeit und niedriger Dielektrizitätskonstante, die den Einsatz dieses Materials als Substratmaterial geradezu prädestinieren, wurde versucht, durch geeignete Maßnahmen dennoch ein Anätzen zu ermöglichen. Hierzu ist es bekannt, verunreinigtes Aluminiumoxid zu verwenden, so daß über das Anätzen der die Verunreinigungen darstellenden Bestandteile die gewünschte Oberflächenrauhigkeit erzielt wird. Konkret gelingt dies beispielsweise mit einem ca. 96%igen Alumini­ umoxid mit einem Restgehalt an Silikaten. Diese lassen sich mit einer starken Flußsäure ätzen, so daß prinzipiell das Bekeimen mit Palladium als Vorbereitung zum abschließenden Galvanisieren möglich wird.

Es hat sich allerdings gezeigt, daß die hierdurch erzielbare Haftfähigkeit für eine Vielzahl von Anwendungsfällen nicht ausreichend ist. Speziell bei kritischen Anwendungen, wie beispielsweise im Automobilbau und/oder unter rauhen Umge­ bungsbedingungen, besteht die akute Gefahr, daß sich Teile der Beschichtung von dem Substrat lösen und dadurch entweder der Stromfluß unterbrochen wird oder aber Durchschläge und Kurzschlüsse zu benachbarten Leiterbahnen auftreten. Der damit verbundene Ausfall der Schaltung kann teilweise zu katastrophalen Auswirkungen kommen, insbesondere wenn es sich um kritische Funktionen handelt, so daß besondere Sicherheitsmaßnahmen, wie beispielsweise die redundante Auslegung von Systemen notwendig werden. Des weiteren sind die mechanischen Eigenschaften eines derart verunreinigten Al₂O₃-Substrates stark reduziert, was wiederum in rauher Umgebung den Einsatz unmöglich macht.

Der Erfindung lag daher das Problem zugrunde, ein Keramik­ substrat der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß es die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweist, insbesondere soll es eine sichere Haftung der beim Galvani­ sieren aufzubringenden Metallschichten ermöglichen, sowie höchstmögliche mechanische Eigenschaften aufweisen.

Gleichzeitig soll ein kostengünstiges und umweltschonendes Verfahren angegeben werden, mit dessen Hilfe metallisierte Keramiksubstrate, insbesondere Leiterplatten, hergestellt werden können.

Gelöst wird dieses Problem durch ein Keramiksubstrat, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen des Substrats sind durch die Merkmale der hier­ von abhängigen Ansprüche angegeben.

Das Problem wird weiterhin durch das in Anspruch 4 angegebe­ ne Verfahren gelöst, vorteilhafte Verfahrensvarianten sind durch die nachgeschalteten Ansprüche definiert.

Die Erfindung basiert auf der Idee, als Ausgangswerkstoff hochreines, d. h. nicht verunreinigtes Aluminiumoxid zu verwenden und durch Beigabe von Zirkonoxid eine optimale Grundlage für den Ätzvorgang zu schaffen. Dies hat den Vorteil, daß das Keramiksubstrat eine sehr viel bessere mechanische Festigkeit aufweist, da das hochreine Aluminium­ oxid ein beinahe idealdichter Werkstoff ist. Gleichzeitig wird die Wärmeleitfähigkeit weiter verbessert, da gegenüber dem bisher verwendeten, verunreinigten Aluminiumoxid prak­ tisch keine Poren mehr auftreten.

Das Zirkonoxid ermöglicht das Anätzen in idealer Weise. Gegenüber den bisher bekannten Substraten auf der Basis von verunreinigtem Aluminiumoxid ergeben sich erheblich verbes­ serte Bedingungen, die ein absolut zuverlässiges Anhaften von Metallen während des Galvanisiervorgangs gewährleisten. Das Galvanisieren selbst einschließlich das vorbereitende Bekeimen erfordern keine besonderen Maßnahmen und sind zuverlässig beherrschbar. Das Zirkonoxid hat weiterhin die äußerst vorteilhafte Eigenschaft, daß es auch von ver­ gleichsweise niedrig konzentrierter Flußsäure angegriffen wird, so daß es völlig ausreichend ist, Flußsäure mit einer Konzentration von unter 30% zu verwenden.

Das Ätzverhalten kann innerhalb weiter Grenzen dadurch eingestellt werden, daß mehr oder weniger Zirkonoxid beige­ mengt wird. Höhere oder niedrigere Beimengungen von Zirkon­ oxid beeinflussen die Oberfläche der Substrate, wodurch eine bessere oder schlechtere Galvanisierbarkeit erzielt wird.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Materialpaarung liegt darin, daß sich die Struktur des Substrats zusätzlich durch Variation der Korngrößen sowohl des Aluminiumoxids wie auch des Zirkonoxids variieren läßt. Die Korngröße des Zirkon­ oxids gibt die Größe der nach dem Ätzvorgang an der Oberflä­ che des Substrats gebildeten Poren vor. Je nach gewünschter Beschaffenheit der Oberfläche ist es möglich, Fehlstellen definierter Größe zu bilden und damit eine optimale Abstim­ mung auf die Bekeimung und/oder das Galvanisieren zu nehmen.

In einem konkreten Ausführungsbeispiel wurden Aluminiumoxid mit einer Korngröße von 0,5 µ und Zirkonoxid mit einer Korngröße von 0,3 µ als Ausgangsmaterialien verwendet. Aufgrund des für diese Materialpaarung typischen Sinterns in Form der sog. Festphasensinterung bleibt das Zirkonoxid als Korn erhalten. Ein von der Oberfläche her einwirkender Ätzvorgang löst die in diesem Bereich befindlichen Körner vollständig auf, so daß insoweit Fehlstellen entstehen, die hinsichtlich ihrer Größe mit den Körnern des Zirkonoxids übereinstimmen und deshalb genau vorherbestimmbar sind.

Gegenüber dem bislang üblichen, mit Silikaten verunreinigten Aluminiumoxid stellt diese Möglichkeit der Beeinflussung einen erheblichen Fortschritt dar. Bei dem angesprochenen verunreinigten Aluminiumoxid erfolgt die Sinterung in flüs­ siger Phase, bei der die Aluminiumoxidkörner von den Silika­ ten in Flüssigphase umgeben werden. Beim Anätzen werden deshalb an den Korngrenzen im wesentlichen unkontrollierbar Bereiche angeätzt, so daß sich Fehlstellen ganz unterschied­ licher Größe und Struktur herauslösen, nämlich in Abhängig­ keit davon, ob ein einzelnes oder aber mehrere, noch zusam­ menhängende Aluminiumoxidkörner aus dem Strukturverbund herausgelöst werden.

Optimale Festigkeitskennwerte ergeben sich bei Aluminiumoxid mit einer Reinheit von mehr als 99%, speziell bei Alumi­ niumoxid mit einer Reinheit von 99,7%. Dieser hochreine Werkstoff verdichtet sich während des Sintervorgangs opti­ mal, so daß eine praktisch ideal porenfreie Struktur ent­ steht. Diese erhöht - wie bereits vorstehend beschrieben - die Wärmeleitfähigkeit erheblich, ein Aspekt, der speziell für den Einsatz bei hoher Leistungsdichte von besonderer Bedeutung ist.

Ein sehr gutes Ätzverhalten ergibt sich, sofern Zirkonoxid mit einem Volumenanteil im Bereich von 2 bis 50% beigemengt ist. Innerhalb dieser Bandbreite kann das gewünschte Anätz­ verhalten eingestellt werden, wobei die obere Bereichsgrenze einen Wert darstellt, der die günstigen mechanischen Eigen­ schaften des hochreinen Aluminiumoxids noch wesentlich verbessert. So können beispielsweise die Biegefestigkeit verdoppelt und die Bruchdehnung verdreifacht werden.

Auf der Basis der vorstehend beschriebenen Materialpaarung können besonders einfach und kostengünstig metallisierte Keramiksubstrate, insbesondere Leiterplatten, hergestellt werden, wobei die Endprodukte hervorragende Gebrauchseigen­ schaften besitzen.

Zunächst wird ein Ausgangswerkstoff, der im wesentlichen aus hochreinem Aluminiumoxid, Zirkonoxid und einem organischen Bindemittel besteht, im an sich bekannten Spritzgießverfah­ ren zu einem Grünling geformt. Das Spritzgießen erlaubt auf besonders vorteilhafte Art und Weise die Formgebung auch komplexer geometrischer Gebilde mit einer äußerst homogenen Struktur. Im Falle der Leiterplatte werden während dieses Formgebungsvorgangs bereits sämtliche Öffnungen, Aussparun­ gen, Durchbrüche und dergleichen gebildet, so daß insoweit das Substrat nach dem Sintervorgang seine endgültige Form besitzt. Das zeit- und kostenaufwendige Anbringen von Boh­ rungen kann vollständig entfallen.

Außerdem ist es beispielsweise möglich, notwendige Kühlrip­ pen bereits mit anzuspritzen.

Nach dem Sintern wird das Substrat geätzt und anschließend bekeimt. Die eigentliche Metallisierung erfolgt durch Gal­ vanisieren.

Bevorzugt wird zum Anätzen Flußsäure mit einer mittleren Konzentration verwendet.

Die vorstehend beschriebenen Anwendungsfälle des Keramiksub­ strats zur Herstellung von Leiterplatten und dergleichen, stellen lediglich Beispiele dar, anhand derer das Wesen der Erfindung erläutert werden soll. Hinsichtlich der Anwendung ergeben sich jedoch noch eine Vielzahl von Variationen, wie beispielsweise das Herstellen von Lötverbindungen auf einem derartigen Substrat oder das Aufbringen metallischer Schich­ ten zur Realisierung nicht nur von Leiterbahnen, sondern auch von Widerständen, Kondensatoren, etc.

Claims (8)

1. Keramiksubstrat, insbesondere Leiterplattensubstrat, auf der Basis von Aluminiumoxid (Al₂O₃), das durch Galvanisieren metallisierbar ist, dadurch gekennzeich­ net, daß das Aluminiumoxid hochreines Aluminiumoxid ist, und das als weiteren Bestandteil Zirkonoxid (ZrO₂) enthält.

2. Substrat nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Alumini­ umoxid mit einer Reinheit von mehr als 99%, vorzugswei­ se mit einer Reinheit von 99,7%.

3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Zirkonoxid mit einem Anteil von 2 bis 50 Vol.-%.

4. Verfahren zum Herstellen eines metallisierten Keramik­ substrats, insbesondere einer Leiterplatte, auf der Basis von Aluminiumoxid, gekennzeichnet durch die Ver­ fahrensschritte

• a) Spritzgießen eines Grünlings unter Verwendung eines Ausgangswerkstoffs, bestehend im wesentlichen aus hochreinem Aluminiumoxid, Zirkonoxid, sowie einem organischen Bindemittel.
• b) Sintern des Grünlings zum Substrat.
• c) Ätzen, insbesondere selektives Ätzen des Substrats.
• d) Bekeimen der geätzten Bereiche.
• e) Galvanisieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumoxid mit einer Reinheit von mehr als 99%, vorzugsweise mit einer Reinheit von 99,7% verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Ausgangswerkstoff Zirkonoxid in einer solchen Menge beigegeben wird, daß im Substrat Zirkon­ oxid mit einem Anteil von 2 bis 50 Vol.-% vorhanden ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen Flußsäure mit einer mitt­ leren Konzentration verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Öffnungen und dergleichen beim Spritzgießen des Grünlings unmittelbar geformt werden.