DE4436644C2 - Verwendung von Aluminiumoxid als Leiterplattensubstrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendungen von Aluminiumoxid als Leiterplattensubstrat gemäß Anspruch 1.

Keramiksubstrate auf der Basis von Aluminiumoxid (Al₂O₃) haben zwischenzeitlich in verschiedenen Bereichen der Technik Ein­ gang gefunden. Von besonderem Interesse ist der Einsatz in der Elektroindustrie, speziell auf dem Gebiet der Elektronik, wo derartige Keramiksubstrate als Leiterplattensubstrat Verwen­ dung 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 Schich­ ten von Metallen, wobei je nach Anforderung in der Regel Gold, Silber, Kupfer oder Legierungen derselben verwendet werden. Das Aufbringen derartiger Metallschichten auf das Substrat bereitet häufig Schwierigkeiten, insbesondere bei miniaturi­ sierten Schaltungen, bei denen teilweise extrem dünne Leiter­ bahnen dicht nebeneinanderliegend realisiert werden müssen. Hierfür gibt es eine Reihe etablierter Verfahren, wie bei­ spielsweise das Aufbringen einer Silber-Palladium enthaltenden Paste im Siebdruckverfahren und anschließendes 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 Sub­ strat zu erzielen.

Das Problem tritt insbesondere bei der Verwendung von Alumini­ umoxid (Al₂O₃) als Rasismaterial 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 Eigenschaften, wie hohe Wärme­ leitfähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit 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 verwen­ den, so daß über das Anätzen der die Verunreinigungen dar­ stellenden Restandteile die gewünschte Oberflächenrauhigkeit erzielt wird. Konkret gelingt dies beispielsweise mit einem ca. 96%igen Aluminiumoxid mit einem Restgehalt an Silikaten. Diese lassen sich mit einer starken Flußsäure ätzen, so daß prinzipiell das Rekeimen 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 Umge­ bung den Einsatz unmöglich macht.

Der Erfindung lag daher das Problem zugrunde, ein Keramiksub­ strat der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß es die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweist, insbesondere soll es eine sichere Haftung der beim Galvanisieren aufzubrin­ genden Metallschichten ermöglichen, sowie höchstmögliche me­ chanische Eigenschaften aufweisen.

Gelöst wird dieses Problem durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche angegeben.

Die Erfindung basiert auf der Idee, als Ausgangswerkstoff hochreines, d. h. nicht verunreinigtes Aluminiumoxid mit einer Reinheit von mehr als 99,0-Prozent zu verwenden und durch Beigabe von Zirkonoxid eine optimale Grundlage für den Ätz­ vorgang zu schaffen.

Eine derartige Materialpaarung ist dem Grunde nach beispiels­ weise aus dem Derwent Abstract zu der EP 406-578 B1 herleit­ bar, in der ganz allgemein ein Sinterkörper beschrieben ist, bei dem durch Beigabe von teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid der Sintervorgang bei niedriger Temperatur und unter Normaldruck ablaufen kann. Als Resultat soll ein Sinterkörper hoher Festigkeit entstehen, über dessen Verwendung keine An­ gaben gemacht werden.

Aus der EP 567 095 A1 ist ein polykristallines Aluminiumoxid be­ kannt, welches durch geringfügige Beimengungen verschiedener Zuschlagstoffe, wie beispielsweise Zirkonoxid, eine verbesser­ te Lichtdurchlässigkeit ermöglicht. Als Anwendungsgebiet für dieses Material wird die Röhre einer Natrium-Entladungslampe, also ein Leuchtmittel, genannt.

Die DE 35 36 407 A1 befaßt sich mit der Verwendung von hoch­ reinem Aluminiumoxid und Zirkonoxid zur Herstellung eines Pfannenschieberverschlusses, bei dem es auf eine besonders hohe Temperaturwechselbeständigkeit und eine hohe Elastizität ankommt.

Die erfindungsgemäße Verwendung von hochreinem Aluminiumoxid in Verbindung mit Zirkonoxid als Leiterplattensubstrat hat den Vorteil, daß es eine sehr viel bessere mechanische Festigkeit aufweist, da das hochreine Aluminiumoxid ein beinahe ideal­ dichter Werkstoff ist. Gleichzeitig wird die Wärmeleitfähig­ keit weiter verbessert, da gegenüber dem bisher verwendeten, verunreinigten Aluminiumoxid praktisch keine Poren mehr auf­ treten.

Das Zirkonoxid ermöglicht das Anätzen in idealer Weise. Gegen­ über den bisher bekannten Substraten auf der Basis von ver­ unreinigtem Aluminiumoxid ergeben sich erheblich verbesserte Bedingungen, die ein absolut zuverlässiges Anhaften von Metal­ len während des Galvanisiervorgangs gewährleisten. Das Galva­ nisieren selbst einschließlich das vorbereitende Bekeimen erfordern keine besonderen Maßnahmen und sind zuverlässig beherrschbar. Das Zirkonoxid hat weiterhin die äußerst vor­ teilhafte Eigenschaft, daß es auch von vergleichsweise 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 einge­ stellt werden, daß mehr oder weniger Zirkonoxid beigemengt wird. Höhere oder niedrigere Beimengungen von Zirkonoxid be­ einflussen 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 Zirkonoxids gibt die Größe der nach dem Ätzvorgang an der Oberfläche des Substrats gebildeten Poren vor. Je nach gewünschter Beschaffen­ heit der Oberfläche ist es möglich, Fehlstellen definierter Größe zu bilden und damit eine optimale Abstimmung auf die Bekeimung und/oder das Galvanisieren zu nehmen.

In einem konkreten Ausführungsbeispiel wurden Aluminiumoxid mit einer Korngröße von 0,5 µm und Zirkonoxid mit einer Korn­ größe von 0,3 µm als Ausgangsmaterialien verwendet. Aufgrund des für diese Materialpaarung typischen Sinterns in Form der sog. Festphasensinterung bleibt das Zirkonoxid als Korn erhal­ ten. 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 des­ halb genau vorherbestimmbar sind.

Gegenüber dem bislang üblichen, mit Silikaten verunreinigten Aluminiumoxid stellt diese Möglichkeit der Beeinflussung einen erheblichen Fortschritt dar. Bei dem angesprochenen verunrei­ nigten Aluminiumoxid erfolgt die Sinterung in flüssiger Phase, bei der die Aluminiumoxidkörner von den Silikaten in Flüs­ sigphase umgeben werden. Beim Anätzen werden deshalb an den Korngrenzen im wesentlichen unkontrollierbar Bereiche ange­ ätzt, so daß sich Fehlstellen ganz unterschiedlicher Größe und Struktur herauslösen, nämlich in Abhängigkeit davon, ob ein einzelnes oder aber mehrere, noch zusammenhängende Aluminium­ oxidkörner aus dem Strukturverbund herausgelöst werden.

Optimale Festigkeitskennwerte ergeben sich bei Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 99,7%. Dieser hochreine Werkstoff verdichtet sich während des Sintervorgangs optimal, so daß eine praktisch ideal porenfreie Struktur entsteht. Diese er­ höht - wie bereits vorstehend beschrieben - die Wärmeleit­ fähigkeit 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 ver­ bessert. So können beispielsweise die Biegefestigkeit verdop­ pelt und die Bruchdehnung verdreifacht werden.

Auf der Basis der vorstehend beschriebenen Materialpaarung können besonders einfach und kostengünstig Leiterplatten, hergestellt werden, wobei die Endprodukte hervorragende Ge­ brauchseigenschaften besitzen.

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

Außerdem ist es beispielsweise möglich, notwendige Kühlrippen bereits mit anzuspritzen.

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

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 Schichten zur Realisierung nicht nur von Leiterbahnen, sondern auch von Widerständen oder Kondensatoren.

Claims (3)

1. Verwendung von Aluminiumoxid mit einer Reinheit von mehr als 99,0% mit Zirkonoxid als weiterem Bestandteil als anätzbares und durch Galvanisieren metallisierbares Lei­ terplattensubstrat.

2. Verwendung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Alumini­ umoxid mit einer Reinheit von 99,7%.

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