DE69203544T2

DE69203544T2 - Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Glaskeramik-Leiterplatte.

Info

Publication number: DE69203544T2
Application number: DE69203544T
Authority: DE
Inventors: Kaoru Hashimoto; Nobuo Kamehara; Koichi Niwa; Hitoshi Suzuki; Wataru Yamagishi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-06-18
Filing date: 1992-06-16
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2012-06-17
Also published as: EP0519676A2; CA2070308A1; EP0519676B1; CA2070308C; KR930001299A; JPH04369899A; DE69203544D1; EP0519676A3; KR960001354B1; US5287620A; JP2584911B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Glas-Keramik- Platine, insbesondere auf eine Verbesserung bei der Bildung von Durchkontaktierungen einer mehrschichtigen Glas- Keramik-Platine.
Um eine größe Informationsmenge schnell zu verarbeiten, werden Informationsverarbeitungsmaschinen fortlaufend kleiner und mit größerer Verarbeitungskapazität hergestellt, und LSIs und VLSIs, die durch die Miniaturisierung von Elektronikelementen hochintegriert sind, werden zur praktischen Verwendung als Halbleitervorrichtungen zur Verfügung gestellt, die den größten Teil einer Informationsverarbeitungsmaschine einnehmen.
Diese integrierten Schaltungen sind derart verpackt, daß eine Mehrzahl von Chips mit integrierten Schaltungen auf einer aus Keramik hergestellten Chip-Montageplatte (Zwischenplatte) angebracht sind, um ein LSI-Modul zu bilden, das als eine auf einer gedruckten Leiterplatte bzw. Platine angebrachte Ersatzeinheit verwendet werden soll. Insbesondere sind alle integrierten Halbleiterschaltungen von der Art eines Flip-Chip auf einer Keramikplatine angebracht.
Die Keramikplatinen, auf denen integrierte Halbleiterschaltungen angebracht sind, werden im allgemeinen in laminierter Form verwendet, und gegenwartig stehen mehrschichtige Platinen mit 20 bis 60 laminierten Schichten für die praktische Verwendung zur Verfügung. Diese mehrschichtigen Schaltstrukturen weisen eine aus elektrisch leitfähigem Material gebildete Durchkontaktierung auf, die sich durch Schichten hindurch erstreckt und eine elektrische Verbindung zwischen elektronischen Schaltungen, die in unterschiedlichen Schichten ausgebildet sind, zur Verfügung stellt.
Neuerdings besteht ein wachsender Bedarf danach, daß elektrische Signale zwischen Halbleitervorrichtungen schneller übertragen werden, und somit danach, daß der Schaltungsleiter aus einem Material mit geringerem Widerstand hergestellt wird, und daß in einer Platine gebildete Durchkontaktierungen feiner sind, um die Elementdichte von Halbleitervorrichtungen zu erhöhen.
Diese Anforderungen haben zur Entwicklung einer Glas- Keramik-Platine geführt. Um einen Schaltungsleiter aus einem Material mit geringem Widerstand wie Gold, Silber, Kupfer oder dergleichen zu bilden, wird die Schrumpfungstemperatur während des Brennens der Glas-Keramik-Platine auf zwischen 700 und 1000ºC eingestellt durch Vermischen eines Keramikmaterials mit einem Glas mit einer Erweichungstemperatur von 600 bis 900ºC. Um eine Verpackung mit einer hohen Dichte zur Verfügung zu stellen, haben die Platinen feine Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von ungefähr 100 um.
Eine mehrschichtige Glas-Keramik-Platine wird herkömmlicherweise durch Herstellen einer Grünfolie aus einer Glas-Keramik und einem organischen Bindemittel, Bilden von Durchgangslöchern in der Grünfolie an Stellen, an denen Durchkontaktierungen gebildet werden sollen, und Befüllen der Durchgangslöcher mit einer Leiterpaste für die Bildung von Durchkontaktierungen hergestellt. Eine Mehrzahl von Grünfolien, welche die jeweiligen Schichten einer mehrschichtigen Platine darstellen, werden auf die gleiche Weise bereitet.
Jede der derart bereiteten Grünfolien wird mit einer Leiterpaste auf den Abschnitten siebbedruckt, welche diejenigen der Durchkontaktierungen bzw. der befüllten Durchgangslöcher umfassen, um ein elektrisches Schaltbild zu bilden, und wird anschließend getrocknet.
Die getrockneten Grünfolien werden ausgerichtet, laminiert und gepreßt, um einen einstückigen Laminatkörper zu bilden, der anschließend wärmebehandelt wird, um ein Bindemittel aus ihm zu entfernen, und gebrannt, um eine mehrschichtige Glas-Keramik-Platine zur Verfügung zu stellen. Die Wärmebehandlung zum Entfernen eines Bindemittels wird bei einer Temperatur durchgeführt, die niedriger als diejenige ist, bei welcher das darauffolgende Brennen durchgeführt wird, und wird hier als "Vorbrennen" bezeichnet.
Fig. 1 der beigefügten Zeichnung ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Anordnung für die Bildung von Durchkontaktierungen unter Verwendung einer Grünfolie 3 mit einer großen Anzahl von durch diese sowie durch eine die Grünfolie bedeckende Polyethylen-Terephthalatfolie 1 (gemeinhin als "Mylar-Folie" bezeichnet) hindurch gebildeten Durchgangslöchern bzw. Perforierungen 2. Ein Saugpapier 4 ist auf einem Einfülltisch 5 angeordnet, der mit einer (hier nicht dargestellten) Ansauganlage ausgerüstet ist, und die Grünfolie 3 wird zusammen mit der auf ihrer Oberfläche angeordneten Mylar-Folie 1 auf das Saugpapier 4 aufgelegt.
Eine Leiterpaste 15 wird auf der Mylar-Folie 1 angeordnet, die Ansauganlage wird angeschaltet, und ein Rechen wird über die Mylar-Folie 1 geführt, um die Leiterpaste 15 abzustreichen, so daß die Leiterpaste 15 durch die Perforierungen in der Mylar-Folie 1 gesaugt wird und die Durchgangslöcher 2 in der Grünfolie 3 befüllt.
Nach dem Entfernen der Mylar-Folie 1 wird die Grünfolie 3 mit einer Schaltungsleiterstrukturierung siebbedruckt und anschließend getrocknet.
Grünfolien 3, die den jeweiligen Schichten einer mehrschichtigen Platine entsprechen, werden auf die gleiche Weise bereitet, ausgerichtet, laminiert und gepreßt, um einen einstückigen Laminatkörper zu bilden, der anschließend bei einer relativ niedrigeren Temperatur wärmebehandelt wird, um ein Vorbrennen zu bewirken und ein Bindemittel aus den Grünfolien 3 und aus der Leiterpaste 15 zu entfernen.
Der Laminatkörper wird anschließend bei einer höheren Temperatur gebrannt, um eine Glas-Keramik und ein Leitermetall zu sintern und eine mehrschichtige Glas- Keramik-Platine mit Durchkontaktierungen in den laminierten Schichten an den erwünschten Stellen zu bilden.
Das oben erwähnte herkömmliche Verfahren verwendet eine Leiterpaste aus einer Mischung aus einem Leitermetallpulver und einem organischen Bindemittel.
Das herkömmliche Verfahren weist jedoch die folgenden Probleme auf:
(1) Durchkontaktierungen enthalten häufig Poren und Sprünge wegen des unterschiedlichen Schrumpfungsfaktors bzw. der unterschiedlichen Schwundzahl des Leitermetalles und der Substratkeramik während ihres Sinterns aufgrund ihres unterschiedlichen Sinterverhaltens.
(2) Durchgangslöcher können nur schwierig mit der Leiterpaste vollständig aufgefüllt werden, da die Lösungsmittel- oder die Bindemittelkomponente einer Leiterpaste von der Wand des Durchgangsloches in einer porösen Grünfolie absorbiert wird.
(3) Wenn ein leicht oxidierbares Metall wie Kupfer als das Leitermetall verwendet wird, kann bei der Wärmebehandlung zum Entfernen eines Bindemittels keine oxidierende Atmosphäre verwendet werden, und stattdessen muß eine reduzierende Atmosphäre wie eine Atmosphäre mit erhöhtem Feuchtegrad verwendet werden, unter welcher die Entfernung eines Bindemittels nicht erfolgreich ist. Folglich kann ein Bindemittel, das sich in Wärme nicht leicht abbauen läßt, weder in einer Leiterpaste noch in einer Grünfolie verwendet werden.
Es wurden Maßnahmen zur lösung dieser Probleme vorgeschlagen.
Um das unterschiedliche Schrumpfungsverhalten des Leitermetalles und der Substratkeramik zu beseitigen oder einander anzugleichen, schlugen die japanischen ungeprüften Veröffentlichungsschriften (Kokai) Nr. 61-89839, 62-133002, 63-260199, 63-271995 und 1-201996 die Zugabe einer organischen Metallverbindung zu einer Leiterpaste vor. Es ist allgemein bekannt, daß das Metallpulver einer Leiterpaste erst anschließend sintert, wenn das organische Bindemittel der Paste abgebaut und dissipiert ist, und später als das Metallpulver selbst sintert, d.h. das Eintreten der Sinterung und der begleitenden Schrumpfung verschiebt sich auf einen höheren Temperaturbereich. Des weiteren tritt das Sintern des Leitermetalles abrupt ein, wenn das organische Bindemittel bei einer Temperatur von 700 bis 900ºC abgebaut und dissipiert worden ist, und dieses Sinterverhalten unterscheidet sich stark von demjenigen der Substratkeramik. Die oben aufgeführten Veröffentlichungen verzögern die Sinterschrumpfung des Leitermetalles, d.h. sie verschieben ihr Auftreten auf eine höhere Temperatur, so daß sie sich gleichzeitig mit demjenigen der Substratkeramik ereignet, da das beigefügte organische Metall zersetzt wird und während des Vorbrennens bei niedriger Temperatur (bzw. der Entfernung des Bindemittels) und dem darauffolgenden Brennen bei hoher Temperatur ein Metalloxid bildet, und das derart gebildete Metalloxid behindert das Sintern des Leitermetallpulvers in einem Hochtemperaturbereich von zwischen 700 und 900ºC. Somit wird die Schrumpfung einer Leiterpaste, die in einem Hochtemperaturbereich von zwischen 700 und 900ºC auftritt, durch die Zugabe einer organischen Metallverbindung gesteuert.
Die japanische ungeprüfte Veröffentlichungsschrift (Kokai) Nr. 61-89839 und die japanische Patentanmeldung Nr. 2-9018 (der vorliegenden Anmelderin) schlugen ein Verfahren unter Verwendung des gleichen Prinzips vor, bei dem ein Metalloxid anstatt einer organischen Metallverbindung direkt zu einer Leiterpaste hinzugegeben wird.
Die japanischen ungeprüften Veröffentlichungsschriften (Kokai) Nr. 2-18991, 1-281795 und 61-101096 schlugen ein weiteres Verfahren vor, bei dem ein Leitermetallpulver direkt anstatt einer Leiterpaste die Durchgangslöcher füllt, um zu verhindern, daß eine organische Substanz in den Durchkontaktierungen zurückbleibt, und auch, um das Packen der Durchgangslöcher zu verbessern. Da diese Verfahren kein organisches Bindemittel verwenden, ereignet sich kein Dissipieren eines organischen Bindemittels während der Trocknungs- und Brennschritte, die gebildeten Durchkontaktierungen enthalten keine Poren, und Durchkontaktierungen mit einer ausreichenden Packungsdichte können relativ einfach in einer porösen Grünfolie gebildet werden.
Trotz dieser Verbesserungen erfordern es kürzlich stattgefundene Verfeinerungen im Schaltbild, daß eine sehr kleine Durchkontaktierung einen Durchmesser von ungefähr 100 um besitzt, und warf die folgenden, neuen Probleme auf.
Wenn eine Leiterpaste verwendet wird, ist ein vollständiges Packen einer 100 um-Durchkontaktierung so schwierig, daß weder die Zugabe einer organischen Metallverbindung noch die direkte Zugabe eines Metalloxides die Packungsdichte in den Durchgangslöchern verbessert, und die Poren, die während des Befüllens von Durchgangslöchern auftraten, bleiben im wesentlichen unverändert in den gebrannten Durchkontaktierungen bestehen. Da sie des weiteren im wesentlichen eine hohe Wärmezersetzung (Wärmezerfall) aufweisen, bleiben organische Metallverbindungen oft in Form einer unvollständigen chemischen Verbindung nach dem Schritt des Entfernens des Bindemittels oder nach dem Vorbrennen zurück. Insbesondere wenn ein Leitermetall aus einem leicht oxidierbaren Metall wie etwa Kupfer besteht, muß eine Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden, die für das Entfernen eines Bindemittels ungünstig ist, und das Bindemittel bleibt selbst nach dem Abschluß des letztendlichen Brennens zurück.
Wenn ein Leitermetallpulver die Durchgangslöcher direkt füllt, wird ein verfeinertes Pulverpartikel vorteilhaft verwendet, um ein voll ständiges Packen von sehr kleinen Durchgangslöchern zur Verfügung zu stellen. Die ausschließliche Verwendung eines Metallpulvers weist jedoch darin einen Problem auf, daß die Schrumpfung bei einer Temperatur auftritt, die niedriger als diejenige einer Substratkeramik und noch niedriger als diejenige einer Leiterpaste während der Entfernung des Bindemittels und während des Brennens ist, wodurch zwischen den derart gebildeten Durchkontaktierungen und dem Keramiksubstrat wegen ihrer unterschiedlichen Schwundzahlen häufig eine Lücke verursacht wird. Insbesondere wenn der Leiter aus Kupfer besteht, wird die Wärmebehandlung zum Entfernen eines Bindemittels in einer Stickstoffgas-Atmosphäre mit erhöhtem Feuchtegrad durchgeführt, um ein Oxidieren des Kupfers zu verhindern, und unter dieser Atmosphäre beginnt die Schrumpfung eines Kupferpulvers bei einer Temperatur von zwischen 300 und 400ºC, was sogar noch niedriger ist als diejenige, das sich in einer trockenen Stickstoffgas-Atmosphäre ereignet. Dies verursacht die Bildung einer Lücke zwischen der Durchkontaktierung in einem niedrigen Temperaturbereich von zwischen 400 und 500ºC, und die derart gebildete Lücke ist größer als diejenige, die sich bildet, wenn Durchkontaktierungen mit einer Leiterpaste gebildet werden.
Um dieses Problem zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2-9018 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein mit einem Keramikpulver vermischtes Leitermetallpulver die Durchgangslöcher füllt. Dieses Verfahren verhindert wirksam die Bildung von Poren an der Grenzfläche zwischen der Durchkontaktierung und der Substratkeramik durch Unterdrücken des Eintretens einer Schrumpfung in einem niedrigen Temperaturbereich von 700º oder darunter, insbesondere zwischen 400 und 700ºC, was unvorteilhaft eintritt, wenn nur ein Kupferpulver die Durchgangslöcher füllt. Dieses Verfahren hat jedoch einen Nachteil darin, daß Durchkontaktierungen spröde gemacht und geschwächt werden aufgrund der instabilen Bindung zwischen den gebrannten Metallpartikeln, wenn ein Keramikpulver in einer zu großen Menge beigegeben wird oder wenn ein Keramikpulver eine zu große Partikelgröße aufweist.
Um das Problem zu lösen, daß keine gute Adhäsion erhalten werden kann, wenn ein Leiterpartikel direkt die Durchgangslöcher füllt, da dieses eine geringe Benetzbarkeit mit einem Keramikmaterial aufweist, schlug die oben aufgeführte japanische ungeprüfte Veröffentlichungsschrift (Kokai) Nr. 2-18991 die Zugabe von Chromoxid zu dem Metallpulver vor. Dieses Verfahren weist jedoch ein Problem darin auf, daß die Korrosion der Durchkontaktierung während des Brennschrittes leicht auftritt, und daß die Toxizität von Chromoxid in einer geringen Arbeitseffizienz resultiert.
Es wird auch angemerkt, daß die oben aufgeführte japanische ungeprüfte Veröffentlichungsschrift (Kokai) Nr. 2- 18991 die Größe der Kupferpulverpartikel und der Chromoxid (Cr&sub2;O&sub3;)-Pulverpartikel als ein Zehntel (1/10) oder weniger, insbesondere zwischen ungefähr einem Zehntel (1/10) und einem Fünfhundertstel (1/500) des Durchmessers des Durchgangsloches beschreibt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Probleme zu lösen und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Glas-Keramik-Platine mit einem Kupfer-Schaltungsleiter zur Verfügung zu stellen, bei dem eine funktionstüchtige, sehr kleine Durchkontaktierung mit einem Durchmesser von ungefähr 100 um durch vollständiges Befüllen oder Packen der Durchgangslöcher gebildet werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Glas-Keramik-Platine mit einem Kupferleiter zur Verfügung gestellt, welches die Schritte aufweist:
Bilden von Durchgangslöchern in einer Glas-Keramik- Grünfolie an Stellen, an denen Durchkontaktierungen gebildet werden sollen;
Befüllen der Durchgangslöcher mit einer Pulvermischung aus einem mit einem Keramikpulver vermischten Kupferpulver, wobei das Kupferpulver und das Keramikpulver eine Pulverpartikelgröße aufweisen, welche eine Packungsdichte zur Verfügung stellt, die nach dem Einfüllen in die Durchgangslöcher mit derjenigen der Glas-Keramik-Grünfolie vergleichbar oder größer als diese ist;
Aufdrucken einer Leiterpaste auf die Grünfolie, deren Durchgangslöcher mit der Pulvermischung gefüllt sind, um eine Schaltungs-Leiterstrukturierung auf der Grünfolie zu bilden;
Laminieren einer Mehrzahl der mit der Leitungsstrukturierung darauf ausgebildeten Grünfolien zum Bilden eines Laminatkörpers;
Wärmebehandeln des Laminatkörpers zum Entfernen des Bindemittels aus diesem, und Vorbrennen des Laminatkörpers; und
Brennen des vorgebrannten Körpers.
Wie hierin bereits beschrieben wurde, wird die unerwünschte Bildung von Poren in einer Durchkontaktierung durch die folgenden Faktoren verursacht:
[Faktor 1] Wenn eine Leiterpaste verwendet wird, um eine Durchkontaktierung zu bilden, sind die Durchgangslöcher einer Grünfolie nicht vollständig mit einem Kupferpulver gefüllt, und daher sind die Durchgangslöcher nicht gleichförmig mit dem Pulver gepackt oder gefüllt, und/oder ein Leerraum wird in den Durchgangslöchern freigelassen.
[Faktor 2] Ein Kupferpulver und eine Grünfolie weisen unterschiedliche Sinter- oder Schrumpfungstemperaturen auf.
Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Faktoren wie folgt:
Faktor 1 wird auf die herkömmliche Weise beseitigt, d.h. durch das Einfüllen bzw. Packen eines Leiterpulvers anstelle einer Leiterpaste in die Durchgangslöcher, um deren vollständige Füllung oder Packung zu gewährleisten.
Im Hinblick auf Faktor 2 fanden die Erfinder der vorliegenden Anmeldung, daß der Unterschied zwischen den Schwundzahlen bzw. Sintertemperaturen eines Kupferpulvers und des Keramikmaterials einer Grünfolie beseitigt werden kann, indem man die Durchgangslöcher mit einer Pulvermischung aus einem mit einem Keramikpulver vermischten Kupferpulver befüllt; das Kupferpulver und das Keramikpulver weisen eine Partikelgröße auf, welche eine Packungsdichte zur Verfügung stellt, die nach dem Einfüllen in die Durchgangslöcher mit derjenigen der Glas-Keramik-Grünfolie vergleichbar oder größer als diese ist.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung, und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird nun beispielhaft auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung einer hier schon beschriebenen herkömmlichen Anordnung zum Einfüllen einer Substanz zum Bilden von Durchkontaktierungen in Durchgangslöcher einer Glas-Keramik- Grünfolie;
Fig. 2 eine Kurve zur Veranschaulichung des Sinter- Schrumpfungsverhaltens eines Pulverpreßlings aus einer Mischung aus Kupfer- und Aluminiumoxidpulver im Vergleich mit demjenigen von nur einem Kupferpulver und demjenigen einer Glas-Keramik;
Fig. 3 eine Kurve zur Veranschaulichung des Sinter- Schrumpfungsverhaltens einer Kupferpaste im Vergleich mit demjenigen von nur einem Kupferpulver und demjenigen einer Glas-Keramik;
Fig. 4 eine Kurve zur Veranschaulichung des elektrischen Widerstandes eines gebrannten Preßlings aus einer Mischung aus Kupfer- und Aluminiumoxidpulver in Abhängigkeit von deren Aluminiumoxidgehalt für zwei Größenniveaus der Aluminiumoxidpartikel;
Fig. 5 eine Kurve zur Veranschaulichung des elektrischen Widerstandes eines gebrannten Preßlings aus einer Mischung aus Kupfer- und Aluminiumoxidpulver in Abhängigkeit von der Größe der Aluminiumoxidpartikel;
Fig. 6 eine Kurve zur Veranschaulichung der Packungsdichte eines für sich in die Durchgangslöcher einer Glas- Keramik-Grünfolie eingefüllten Kupferpulvers in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Größe der Kupferpartikel;
Fig. 7 eine Kurve zur Veranschaulichung der Packungsdichte einer in Durchgangslöcher einer Glas-Keramik- Grünfolie eingefüllten Mischung aus Kupfer- und Aluminiumoxidpulver in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Größe der Aluminiumoxidpartikel;
Fig. 8 eine Kurve zur Veranschaulichung des Sinter- Schrumpfungsverhaltens eines Pulverpreßlings aus einer Mischung aus Kupfer- und Mullitpulver im Vergleich mit demjenigen von nur einem Kupferpulver und demjenigen einer Glas- Keramik;
Fig. 9 eine Kurve zur Veranschaulichung des Sinter- Schrumpfungsverhaltens eines Pulverpreßlings aus einer Mischung aus Kupfer- und Siliziumoxidpulver im Vergleich mit demjenigen von nur einem Kupferpulver und demjenigen einer Glas-Keramik.
Eine für gewöhnlich verwendete Glas-Keramik-Grünfolie weist eine relative Dichte von zwischen ungefähr 50 und ungefähr 60% im ungebrannten Zustand auf, und die entsprechende erfindungsgemäße Pulvermischung weist derartige Partikelgrößen des sie bildenden Kupfer- und Keramikpulvers auf, daß die Pulvermischung in ein Durchgangsloch mit einer Packungsdichte von zwischen ungefähr 55 und ungefähr 65% im ungebrannten Zustand eingefüllt wird. Dies minimiert den Unterschied zwischen den Schwundzahlen von Materialien innerhalb und außerhalb einer Durchkontaktierung.
Um eine Packungsdichte gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzielen, wird eine Pulvermischung vorzugsweise durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von zwischen 0,3 und 8 um mit einem Keramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von zwischen 0,1 und 1 um hergestellt. Eine gewünschte Packungsdichte der vorliegenden Erfindung wird auf vorteilhaftere Weise gewährleistet, wenn die Partikelgröße eines Keramikpulver geringer als diejenige eines Kupferpulvers ist, um den Einschluß der Kupferpartikel zwischen den Keramikpartikein zu erleichtern.
Vorzugsweise weist eine Grünfolie eine Schrumpfungs- Anfangstemperatur von zwischen ungefähr 700 und ungefähr 1000ºC auf, und demgemäß wird eine Pulvermischung durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einem Keramikpulver bereitet, von denen beide eine eingestellte Partikelgröße in einem eingestellten Verhältnis aufweisen, so daß die Pulvermischung ein Sinterverhalten bzw. eine Schrumpfungs- Anfangstemperatur aufweist, welche derjenigen der Grünfolie entspricht.
Wenn eine Grünfolie mit einer innerhalb des oben erwähnten Bereichs liegenden Schrumpfungs-Anfangstemperatur verwendet wird, wird ein Kupferpulver auf geeignete Weise mit einem Pulver aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Mullit oder einem anderen Keramikmaterial vermischt, welches bei einer hohen Temperatur von bis zu 1000ºC nicht mit Kupfer reagiert. Ein Pulver dieser Keramikmaterialien sollte mit einem Kupferpulver in einem solchen Verhältnis vermischt werden, daß die Schrumpfung von Kupfer, die bei ungefähr 600ºC eintritt, insbesondere unterdrückt wird und die Schrumpfung von Kupfer bei 1000ºC beendet ist. Unter diesem Gesichtspunkt beträgt der Gehalt an einem Keramikpulver im Hinblick auf die Gesamtmenge einer Pulvermischung für gewöhnlich zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 10 Vol.-%, und vorzugsweise zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 5 Vol.-%, wenn ein Keramikpulver eine durchschnittliche Partikelgröße von zwischen 0,1 und 1 um aufweist. Ein Gehalt an Keramikpulver von weniger als 0,5 Vol.-% paßt die Sinter-Schrumpfungszeit eines Leitermetalles nicht effektiv an diejenige einer Glas-Keramik an. Ein Gehalt an Keramikpulver von mehr als 10 Vol.-% erhöht den elektrischen Widerstand eines Leitermetalles.
Es folgt eine detailliertere Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand typischer Versuchsergebnisse.
Das Sinterverhalten der Pulvermischung und der Glas- Keramik-Platine der vorliegenden Erfindung werden durch Ausführung eines Versuches unter Verwendung von modellhaften Proben untersucht.
Beide Proben einer Pulvermischung wurden durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1 um mit einem Aluminiumoxidpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,3 um in unterschiedlichen Aluminiumoxidanteilen von 3,5 und 10 Vol.-% bereitet. Die Mischungen wurden in einer Kugelmühle 24 Stunden lang durchgemischt und verpreßt, um einen Pulverpreßling mit den Abmessungen 5 x 55 x 3 mm zu bilden. Ein weiterer Pulverpreßling aus nur einem Kupferpulver wurde zum Vergleich bereitet.
Eine beispielhaftes Muster einer Glas-Keramik-Platine wurde durch Vermischen und Durchmischen in einer Mühle von Pulvern mit den folgenden Zusammensetzungen, und durch Aufpressen der resultierenden Mischung auf einen Pulverpreßling aus einer Glas-Keramik auf der Basis von Aluminiumoxid bereitet.
Keramikpulver: Aluminiumoxidpulver ... 50 Gewichtsanteile
Glaspulver: Borsilikatglaspulver ... 50 Gewichtsanteile
Die Muster wurden in einer Stickstoff (N&sub2;)-Gasatmosphäre mit erhöhtem Feuchtegrad bei unterschiedlichen Brenntemperaturen gebrannt, und die Schwundzahlen wurden bestimmt. Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Brenntemperatur und der Schwundzahl.
Aus Fig. 2 geht hervor, daß die Schwundzahl des Pulverpreßlings aus nur Kupfer (Kurve 7) mit dem Anstieg der Brenntemperatur bis ungefähr 600ºC zunimmt und mit einem weiteren Anstieg der Brenntemperatur über ungefähr 700ºC abnimmt, während die Schwundzahl des Pulverpreßling aus Glas-Keramik (Kurve 8) mit dem Anstieg der Brenntemperatur einfach zunimmt, somit bei einer Brenntemperatur von über 700ºC eine insbesondere beträchtliche Schrumpfung zeigt. Dieser Unterschied im Schrumpfungsverhalten verursacht das Auftreten einer Pore in der Durchkontaktierung.
Im Vergleich zu diesen Ergebnissen zeigt Fig. 3 die Schwundzahlen einer herkömmlicherweise verwendeten Kupferpaste (typische Zusammensetzung: 100 Gewichtsanteile Kupferpulver, 2 Gewichtsanteile PMMA, 1 Gewichtsanteil Plastizierer und 20 Gewichtsanteile Lösungsmittel) und der gleichen, aber mit 5 Vol.-% Aluminiumoxidpulver vermischten Kupferpaste in Abhängigkeit von der Brenntemperatur. Die Kupferpaste alleine (Kurve 51) schrumpft nicht bei Brenntemperaturen von bis zu ungefähr 600ºC und schrumpft abrupt, wenn die Brenntemperatur mehr als ungefähr 700ºC und in der Nähe von ungefähr 800ºC beträgt, und die Schwundzahl nimmt ab, wenn die Brenntemperatur mehr als ungefähr 900ºC beträgt: die Schwundzahl ist unterschiedlich von derjenigen einer Glas-Keramik, insbesondere bei Brenntemperaturen oberhalb von ungefähr 800ºC, und dieser Unterschied verursacht die Bildung von Poren in einer Durchkontaktierung. Die Zugabe eines Aluminiumoxidpulvers zu der Kupferpaste (Kurve 52) unterdrückt sowohl die abrupte Schrumpfung bei ungefähr 800ºC als auch die Verringerung der Schrumpfung oberhalb von ungefähr 900ºC, und dadurch wird das Schrumpfungsverhalten ähnlich demjenigen der Glas-Keramik.
Ein Pulverpreßling, der durch die Zugabe von 3 Vol.-% Aluminiumoxid zu einem Kupferpulver hergestellt wurde (Kurve 9 von Fig. 2), weist ein Schrumpfungsverhalten auf, das sehr ähnlich zu demjenigen einer Glas-Keramik ist (Kurve 8), so daß die Schwundzahl des ersteren mit einer Erhöhung der Brenntemperatur ansteigt und daraufhin geringfügig abnimmt oder im wesentlichen konstant ist, wenn die Brenntemperatur höher als ungefähr 800ºC ist, aufgrund übermäßigen Brennens des Kupfers. Es wird auch angemerkt, daß sich die Abnahme der Schwundzahl mit einer zugegebenen Menge des Aluminiumoxids und der Faktor aufgrund eines übermäßigen Brennens des Kupfers auf einen höheren temperaturbereich verschoben wird.
Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Menge des dem Kupferpulver beigemengten Aluminiumoxids und dem elektrischen Widerstand, wobei Aluminiumoxidpulver mit zwei Werten von Partikelgrößen von 0,3 bzw. 3,5 um für die Zugabe verwendet wurden. Fig. 5 zeigt den elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Partikelgröße des Aluminiumoxids, wenn die Menge von beigemengtem Aluminiumoxid bei 10 Vol.% festgelegt ist.
Aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß der elektrische Widerstand mit abnehmender Partikelgröße des Aluminiumoxidpulvers aufgrund der größeren spezifischen Oberfläche des kleineren Partikels größer wird. Fig. 4 zeigt, daß eine Zunahme des elektrischen Widerstands, wenn die durchschnittliche Partikelgröße des Aluminiumoxids 0,3 um beträgt, bei einer kleineren Menge von zugegebenem Aluminiumoxid auftritt als im Falle von 3,5 um, und daß bei einem Betrag von beigemengtem Aluminiumoxid von bis zu ungefähr 5 Vol.-% keine wesentliche Zunahme des elektrischen Widerstands auftritt, wenn die Partikelgröße des Aluminiumoxids ungefähr 0,3 um beträgt. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße des Aluminiumoxids 0,1 um beträgt, erhöht sich der elektrische Widerstand nicht, wenn die Menge von beigemengtem Aluminiumoxid bis zu ungefähr 10 Vol.-% beträgt.
Somit stellt die Zugabe einer geeigneten Menge von Aluminiumoxidpulver eine Sinter-Schwundzahl zur Verfügung, die nahe bei derjenigen einer Glas-Keramik liegt, und verhindert dadurch die Bildung einer durch unterschiedliches Schrumpfungsverhalten verursachten Pore, während sie sicherstellt, daß der elektrische Widerstand im wesentlichen der gleiche wie derjenige von Kupferpulver alleine ist.
Eine Mischung aus Kupfer- und Keramikpulver wird auf die folgende Weise in Durchgangslöcher eingefüllt.
Fig. 6 zeigt die Packungsdichten, die erhalten wurden, wenn lediglich Kupferpulver mit unterschiedlichen Partikelgrößen in Durchgangslöcher mit 100 um Durchmesser, die in einer Glas-Keramik-Grünfolie gebildet waren, eingefüllt wurden. Die Packungsdichte errechnet sich aus dem gemessenen Gewicht und Volumen, wenn das Pulver in 100.000 Durchgangslöcher einer Grünfolie eingefüllt wird.
Das Kupferpulver wurde unter Verwendung der gleichen Anordnung wie der in Fig. 1 gezeigten in der folgenden Reihenfolge in Durchgangslöcher eingefüllt.
Eine 350 ×350 mm große Grünfolie 3 wurde auf einem Einfülltisch 5 angeordnet und vollständig mit einer Mylar- Folie 1 abgedeckt. Ungefähr 100 g eines Kupferpulvers 15 mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1 um wurde in Form eines Streifens auf der Mylar-Folie 1 verteilt.
Ein (hier nicht dargestellter) Hartgummirechen wurde in einem Winkel von 30 bis 45º auf der Grünfolie 3 angeordnet, mit einem Druck von 2 kg/cm² gegen die Mylar-Folie 1 gepreßt und auf der Mylar-Folie 1 mit einer Geschwindigkeit von 30 cm/min. bewegt, um zu veranlassen, daß das Kupferpulver verfließt, in die Durchgangslöcher 2 der Grünfolie 3 fällt und diese füllt. Der Rechen wurde auf einer Grünfolie zweimal bewegt, um ein vollständiges Einfüllen des Pulvers zu erleichtern.
Der Einfülltisch 5 hatte Sauglöcher mit 1 mm Durchmesser in einem stetigen Abstand von 1 mm, und ein Filter - oder Saugpapier 4 wurde zwischen die Grünfolie 3 und den Einfülltisch 5 gelegt, um eine gleichförmige Ansaugung durch jeweilige Durchgangslöcher der Grünfolie 3 zu gewährleisten. Das Einfüllen wurde unter Verwendung dieser Anordnung durchgeführt, während das Ansaugen mit einer (hier nicht dargestellten) Vakuumpumpe bewirkt wurde, die mit einem Unterdruckbetrag von 700 mmHg absaugte.
Wichtige Bedingungen für diesen Einfüllvorgang umfassen die Fluidität des Kupferpulvers und die Betriebsweise der Absaugung. Wenn das Kupferpulver eine feine durchschnittliche Partikelgröße aufweist oder mit dem Pulver eines anorganisches Oxides mit einer feinen durchschnittlichen Partikelgröße vermischt ist, ist es nötig, daß eine Absaugpumpe mit einem hohen Unterdruckgrad arbeitet und daß die Ansauglöcher des Einfülltisches 5 in einem geringen Abstand vorgesehen sind. Wenn beispielsweise eine Pulvermischung aus einem Kupferpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,5 um und einem Aluminiumoxidpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,5 um verweiidet wird, wird eine 100-Maschen- Siebmaske auf einem Einfüll- bzw. Ansaugtisch angeordnet, um den wesentlichen Abstand zwischen den Ansauglöchern zu verringern.
Das in Durchgangslöcher einer Grünfolie eingefüllte Kupferpulver wird durch Laminier- und Brennschritte mit der Grünfolie zu einem Körper vereinigt. Um die Schwundzahlen der Materialien innerhalb und außerhalb der Durchgangslöcher während des Brennens aneinander anzunähern, ist es im allgemeinen vorzuziehen, wenn das Kupferpulver mit einer Packungsdichte in die Durchgangslöcher eingefüllt wird, die mit der relativen Dichte der Grünfolie vergleichbar oder um ein weniges größer als diese ist. Wenn ein Kupferpulver mit einer geringeren Packungsdichte eingefüllt wird, zeigt das Pulver tatsächlich eine höhere Schwundzahl und verursacht dadurch eine Lücke oder Pore zwischen der gebrannten Durchkontaktierung und der gebrannten Grünfolie, selbst wenn das Pulver an sich das gleiche Schrumpfungsverhalten wie eine Grünfolie aufweist. Wenn ein Küpferpulver mit einer wie oben erwähnten Packungsdichte eingefüllt wird, wird mit dem Brennen eine funktionstüchtige Durchkontaktierung erzielt.
Im Fall der Fig. 6 hatte die verwendete Glas-Keramik- Grünfolie eine relative Dichte von ungefähr 60 % im Verhältnis zur Dichte eines Glas-Keramik-Verbundmaterials. Eine Packungsdichte von nicht weniger als 55% (tatsächlich zwischen 55 und 65%) wurde erzielt, wenn das verwendete Kupferpulver eine durchschnittliche Partikelgröße von zwischen 0,3 und 8 um aufwies. Diese Packungsdichte ist mit der relativen Dicht er Grünfolie vergleichbar oder um ein weniges höher und reicht für die Bildung einer vollständigen Durchkontaktierung ohne eine Pore aus. Die Packungsdichte ist nicht ausreichend, wenn ein Kupferpulver eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 0,3 um aufweist. Beispielsweise wird eine geringe Packungsdichte von zwischen 40 und 45% durch eine durchschnittliche Partikelgröße von zwischen 0,08 und 0,15 um verursacht. Eine solch geringe Partikelgröße stellt eine geringe Massendichte zur Verfügung, so daß keine ausreichende Packungsdichte erzielt werden kann, außer wenn Rütteln, Pressen oder ein sonstiger Vorgang nach dem Befüllen der Durchgangslöcher mit dem Kupferpulver durchgeführt wird. Wenn hingegen die durchschnittliche Partikelgröße mehr als 8 um beträgt, ist es sehr schwierig, ein 100 um kleines Durchgangsloch zu befüllen. Beispielsweise stellt eine durchschnittliche Partikelgröße von mehr als 10 um nur eine geringe Packungsdichte von 40% zur Verfügung.
Somit weist ein Kupferpulver auf geeignete Weise eine durchschnittliche Partikelgröße von zwischen 0,3 und 8 um auf, um ein ausreichendes Packen eines Durchgangsloches mit einem Durchmesser von 100 um zur Verfügung zu stellen.
Für ein Keramikpulver, welches dem Kupferpulver beigemengt werden soll, gibt es ebenfalls einen Bereich geeigneter Partikelgrößen wie folgt.
Fig. 7 zeigt die Variation der Packungsdichte, die erhalten wird, wenn eine durch das Vermischen eines Kupferpulvers mit einem Aluminiumoxidpulver hergestellte Pulvermischung in ein Durchgangsloch eingefüllt wird, in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Partikelgröße des Aluminiumoxidpulvers. Eine festgelegte durchschnittliche Größe der Kupferpartikel und eine Menge von beigemengtem Aluminiumoxid von 5% wurden verwendet. Die Pulvermischung wurde in Durchgangslöcher einer Glas-Keramik-Grünfolie ähnlich der in Fig. 4 verwendeten eingefüllt, und die Packungsdichte wurde auf die gleiche Weise berechnet.
Die in Fig. 7 abgetragenen Ergebnisse zeigen, daß eine hohe Packungsdichte von 55% oder mehr erzielt wird, wenn das Aluminiumoxidpulver eine durchschnittliche Partikelgröße von 1 um oder weniger aufweist. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße des Aluminiumoxids größer als 1 um ist, verringert sich die Packungsdichte mit der Zunahme der durchschnittlichen Partikelgröße. Eine durchschnittliche Partikelgröße des Aluminiumoxids von 2 um oder mehr stellt beispielsweise eine Packungsdichte von 45% oder weniger zur Verfügung. Dies zeigt, daß das Aluminiumoxidpulver auf geeignete Weise eine durchschnittliche Partikelgröße von 1 um oder weniger aufweist. Das Aluminiumoxidpulver hat jedoch auf geeignete Weise eine Partikelgröße von nicht weniger als 0,1 um, da eine geringere Partikelgröße das Mischen eines Aluminiumoxidpulvers mit einem Kupferpulver und das Dispergieren darin erschwert.
Somit besitzt das Aluminiumoxidpulver, das dem Kupferpulver beigemengt werden soll, auf geeignete Weise eine durchschnittliche Partikelgröße von zwischen 0,1 um und 1 um, um ein ausreichendes Packen eines Durchgangsloches mit einem Durchmesser von ungefähr 100 um zur Verfügung zu stellen.
Gemäß dem oben erwähnten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Pulvermischung durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von zwischen 0,3 um und 8 um mit einem Keramikpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von zwischen 0,1 um und 1 um in einem geeigneten Verhältnis bereitet, um ein vollständiges Befüllen oder Packen von Durchgangslöchern in einem ausreichenden Ausmaß zur Verfügung zu stellen, um durch Brennen eine funktionstüchtige Durchkontaktierung zur Verfügung zu stellen, die keine Pore enthält.
Die oben aufgeführten geeigneten Partikelgrößen des Kupferpulvers und des Keramikpulvers wurden in einem Versuch erhalten, in dem Durchgangslöcher einen Durchmesser von 100 um aufweisen. Wenn Durchgangslöcher einen kleineren Durchmesser aufweisen, stellt ein ähnlicher Versuch geeignete Bereiche der durchschnittlichen Partikelgrößen des Kupfer- bzw. des Aluminiumoxidpulvers zur Verfügung.

Beispiel 1

Eine mehrschichtige Glas-Keramik-Platine wurde gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Pulvermischung hergestellt, die durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einem Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;)-Pulver bei der Bildung von Durchkontaktierungen bereitet wurde.
Grünfolien wurden in der folgenden Sequenz hergestellt.
Eine Mischung mit der folgenden Zusammensetzung wurde bereitet.
Keramikpulver: Aluminiumoxidpulver ... 30 Gewichtsanteile
Glaspulver: Borsilikatglas-Pulver ... 50 Gewichtsanteile
Bindemittel: Polymethylmethacrylat (PMMA) .. 12 Gewichtsanteile
Plastizierer: Dibutylphthalat ... 5 Gewichtsanteile
Ein Gewichtsanteil dieser Mischung wurde mit drei Gewichtsanteilen Aceton vermischt und in einer Kugelmühle durchgemischt, worauf das Aceton verdampft wurde, um einen flüssigen Brei zu bilden, der durch einen Aufrakelvorgang auf eine Mylar-Folie aufgebracht wurde, um eine 300 um dicke Grünfolie zu bilden.
Die Grünfolie wurde zusammen mit der Mylar-Folie durchbohrt, um Durchgangslöcher mit 100 um Durchmesser zu bilden.
Zwischenzeitig wurde eine Pulvermischung durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1,0 um mit 5 Vol.-% eines Keramikpulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von zwischen 0,3 um bereitet und anschließend in einem Mischer vom V-Typ 2 Stunden lang durchgemischt.
Durch die Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wurde die Pulvermischung in die Durchgangslöcher der Grünfolie in der folgenden Reihenfolge eingefüllt.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wurde die Pulvermischung bzw. das Leiterpulver 15 auf einem Ende einer Harzfolie bzw. Mylar-Folie 1 in einer für das Befüllen von Durchgangslöchern ausreichenden Menge aufgehäuft, und beispielsweise wurde mit einem (hier nicht dargestellten) Hartgummirechen über die Mylar-Folie 1 in Richtung der Pfeile gewischt, so daß das Leiterpulver 15 in die Durchgangslöcher 2 eingefüllt wurde.
Um das Befüllen gemäß einer bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchzuführen, ist eine Ansaughöhlung (durch eine gestrichelte Linie gezeigt) mit einer Querschnittfläche, die mit derjenigen der Grünfolie 3 vergleichbar ist, im Inneren eines Einfülltisches 5 vorgesehen und mit einer (hier nicht dargestellten) Absaugpumpe durch eine von der Unterseite des Einfülltisches 5 her kommende Leitung (dargestellt durch eine sich an die gestrichelte Linie anschließende durchgehende Linie) verbunden. Die Grünfolie 3 wird durch das Saugpapier 4 hindurch während des Einfüllens des Leiterpulvers 15 vollständig und gleichförmig mit Unterdruck beaufschlagt.
Das Saugpapier 4 dient als Filterpapier, um ein gleichförmiges Ansaugen eines Leiterpulvers sicherzustellen, während es ein Zerstreuen der Pulver, aus welchen sich das Leiterpulver 15 zusammensetzt, verhindert.
Nach dem Befüllen der Durchgangslöcher 2 mit dem Leiterpulver 15 wurde die als Maske verwendete Harzfolie bzw. Mylar-Folie 1 entfernt. Anschließend wurde eine Leiterpaste auf die Grünfolie 3 mit den mit dem Leiterpulver gefüllten Durchgangslöchern siebgedruckt, um ein angestrebtes Schaltungsleiterbild auf der Grünfolie 3 zu bilden.
60 Stück Grünfolien, die den jeweiligen Schichten einer mehrschichtigen Platine entsprechen, wurden auf die gleiche Weise bereitet, einschließlich des Siebdruckes einer Leiterpaste zum Bilden der jeweiligen elektronischen Schaltbild. Nach dem Trocknen wurden die derart bereiteten Grünfolien ausgerichtet, laminiert und gepreßt, um einen einstückigen Laminatkörper zu bilden.
Der Laminatkörper wurde in einer Stickstoffgas-Atmosphäre mit erhöhtem Feuchtegrad bei 800ºC 4 Stunden lang wärmebehandelt, um ein Vorbrennen zum Entfernen eines Bindemittels zu bewirken, und daraufhin in einer Stickstoffgas-Atmosphäre bei 1000ºC 4 Stunden lang gebrannt, um eine mehrschichtige Glas-Keramik-Platine herzustellen.
Eine Trennfläche und eine Bruchfläche der mehrschichtigen Glas-Keramik-Platine wurden mit einem optischen Mikroskop und mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) betrachtet, und die Ergebnisse zeigten, daß sowohl an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Durchkontaktierung als auch im Inneren der Durchkontaktierung eine funktionstüchtige Durchkontaktierung ohne Poren gebildet war.
Obwohl bei diesem Beispiel Durchgangslöcher durch Bohren gebildet wurden, können Durchgangslöcher durch Drücken mit einer zum Durchstoßen einer Durchgangsloch entworfenen Ausstechnadel gebildet werden. Im letzteren Fall wird eine mit Ausstechnadeln versehene Presse nach unten bewegt, um eine Grünfolie 3 zusammen mit einer darübergelegten Mylar- Folie 1 zu durchbohren, um eine Mehrzahl von Durchgangslöchern auf einmal zu bilden.
Die derart gebildeten Durchgangslöcher weisen vorzugsweise einen möglichst feinen Durchmesser auf, der ein feines Schaltbild zur Verfügung stellt, beispielsweise einen Durchmesser von zwischen 50 und 200 um.
Die Grünfolie besitzt für gewöhnlich eine Dicke von ungefähr zwischen 100 und 500 um.
Die Harzfolie zum Auflegen auf eine Seite der Grünfolie kann aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, vorzugsweise aus einem Polyethylen-Terephthalatharz mit guter Flächigkeit und Glätte, und besitzt für gewöhnlich eine Dicke von ungefähr zwischen 10 und 50 um.

Beispiel 2

Eine mehrschichtige Glas-Keramik-Platine wurde gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Pulvermischung hergestellt, die beim Bilden einer Durchkontaktierung durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einem Mullit (3Al&sub2;O&sub3;-2SiO&sub2;)-Pulver bereit wurde.
Vor dem Herstellen der mehrschichtigen Platine wurde eine geeignete Menge des dem Kupferpulver beigemengten Mullitpulvers durch den folgenden Vorversuch bestimmt.

Vorversuch

Ein Kupferpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 2 um wurde mit einem Mullitpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,3 um in unterschiedlichen Mengen von 1, 2 und 5 Vol.-% vermischt, um Pulvermischungen zu bilden. Aus diesen Mischungen hergestellte, 5 × 55 × 5 mm große Pulverpreßlinge wurden bei unterschiedlichen Temperaturen gebrannt, und die beobachteten Schwundzahlen sind in Fig. 8 gezeigt.
Aus Fig. 8 geht hervor, daß die Auswirkung eines übermäßigen Brennens des Kupfers beobachtet wurde, wenn die beigemischte Mullitmenge 1 Vol.-% beträgt (Kurve 12), daß ein Schrumpfungsverhalten ähnlich demjenigen der Substrat-Glas-Keramik (Kurve 8) beobachtet wurde, wenn die beigemischte Menge 2 Vol.-% beträgt (Kurve 13), und daß die Auswirkung eines übermäßigen Brennens des Kupfers bei höheren Temperaturen beobachtet wird, wenn die beigemischte Menge 5 Vol.-% beträgt (Kurve 14).
Demzufolge wurde eine dem Kupferpulver beizufügende geeignete Menge an Mullitpulver als 2 Vol.-% bestimmt.

Herstellung einer mehrschichtigen Glas-Keramik-Platine

Eine Pulvermischung wurde durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 2 um mit einem Mullitpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,3 um in einer Menge von 2 Vol.-% gemäß den oben aufgeführten Ergebnissen bereitet.
Die gleiche Sequenz wie die in Beispiel 1 verwendete wurde durchgeführt, um eine mehrschichtige Glas-Keramik- Platine herzustellen.
Eine Trennfläche und eine Bruchfläche dieser mehrschichtigen Glas-Keramik-Platine wurden mit einem optischen Mikroskop und mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) betrachtet, und die Ergebnisse zeigten, daß sowohl an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Durchkontaktierung als auch im Inneren der Durchkontaktierung eine funktionstüchtige Durchkontaktierung ohne Poren gebildet war.

Beispiel 3

Eine mehrschichtige Glas-Keramik-Platine wurde gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Pulvermischung hergestellt, die beim Bilden einer Durchkontaktierung durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einem Siliziumoxidglas (SiO&sub2;)-Pulver bereitet wurde.
Vor dem Herstellen der mehrschichtigen Platine wurde eine geeignete Menge des dem Kupferpulver beigemengten Siliziumoxidglas-Pulvers durch den folgenden Vorversuch bestimmt.

Vorversuch

Das Kupferpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 2 um wurde mit einem Siliziumoxidglas-Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,3 um in unterschiedlichen Mengen von 1, 2 und 5 Vol.-% vermischt, um Pulvermischungen zu bilden. Aus diesen Mischungen hergestellte, 5 × 55 × 5 mm große Pulverpreßlinge wurden bei unterschiedlichen Temperaturen gebrannt, und die beobachteten Schwundzahlen sind in Fig. 9 gezeigt.
Aus Fig. 9 geht hervor&sub1; daß die Auswirkung eines übermäßigen Brennens des Kupfers beobachtet wurde, wenn die beigemischte Siliziumoxidglasmenge 1 Vol.-% beträgt (Kurve 15), daß ein Schrumpfungsverhalten ähnlich demjenigen der Substrat-Glas-Keramik (Kurve 16) beobachtet wurde, wenn die beigemischte Siliziumoxidmenge 2 Vol.-% beträgt (Kurve 16), und daß die Auswirkung eines übermäßigen Brennens des Kupfers bei höheren Temperaturen beobachtet wird, wenn die beigemischte Menge 5 Vol.-% beträgt (Kurve 14).
Demzufolge wurde eine dem Kupferpulver beizufügende geeignete Menge an Siliziumoxidglas-Pulver als 2 Vol.-% bestimmt.

Herstellung einer mehrschichtigen Glas-Keramik-Platine

Eine Pulvermischung wurde durch Vermischen eines Kupferpulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 52 um mit einem Siliziumoxidglas-Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,3 um in einer Menge von 2 Vol.-% gemäß den oben aufgeführten Ergebnissen bereitet.
Die gleiche Sequenz wie die in Beispiel 1 verwendete wurde durchgeführt, um eine mehrschichtige Glas-Keramik- Platine herzustellen.
Eine Trennfläche und eine Bruchfläche dieser mehrschichtigen Glas-Keramik-Platine wurden mit einem optischen Mikroskop und mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) betrachtet, und die Ergebnisse zeigten, daß sowohl an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Durchkontaktierung als auch im Inneren der Durchkontaktierung eine funktionstüchtige Durchkontaktierung ohne Poren gebildet war.
Obwohl ein Durchgangslochs-Durchmesser von 100 um in den hier beschriebenen Beispielen verwendet wurde, kann ein kleinerer Durchgangslochs-Durchmesser angewendet werden durch die Durchführung eines Vorversuches zur Bestimmung von geeigneten Pulverpartikelgrößen und eines Mischungsbetrages zur Herstellung einer mehrschichtigen Glas-Keramik- Platine mit einer funktionstüchtigen Durchkontaktierung.
Wie oben beschrieben wurde, stellt die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Glas-Keramik-Platine mit einem Schaltungsleiter aus Kupfer zur Verfügung, bei dem eine funktionstüchtige, sehr kleine Durchkontaktierung mit einem Durchmesser von ungefähr 100 um durch ein voll ständiges Befüllen oder Packen von Durchgangslöchern gebildet werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Glas-Keramik-Platine mit einem Kupferleiter, welches die Schritte aufweist:

Bilden von Durchgangslöchern in einer Glas-Keramik- Grünfolie an Stellen, an denen Durchkontaktierungen gebildet werden sollen;

Befüllen der Durchgangslöcher mit einer Pulvermischung aus einem mit einem Keramikpulver vermischten Kupferpulver, wobei das Kupferpulver und das Keramikpulver eine Pulverpartikelgröße aufweisen, welche eine Packungsdichte zur Verfügung stellt, die nach dem Einfüllen in die Durchgangslöcher mit derjenigen der Glas-Keramik-Grünfolie vergleichbar oder größer als diese ist;

Aufdrucken einer Leiterpaste auf die Grünfolie, deren Durchgangslöcher mit der Pulvermischung gefüllt sind, um eine Schaltungs-Leiterstrukturierung auf der Grünfolie zu bilden;

Laminieren einer Mehrzahl der mit der Leitungsstrukturierung darauf ausgebildeten Grünfolien zum Bilden eines Laminatkörpers;

Wärmebehandeln des Laminatkörpers zum Entfernen des Bindemittels aus diesem, und Vorbrennen des Laminatkörpers; und

Brennen des vorgebrannten Körpers.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Glas-Keramik- Grünfolie eine relative Dichte von ungefähr 50 bis ungefähr 60% aufweist, und das Kupferpulver und das Keramikpulver eine Pulverpartikelgröße aufweisen, die eine Packungsdichte von ungefähr 55 bis ungefähr 65% zur Verfügung stellt, wenn sie in die Durchgangslöcher eingefüllt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Kupferpulver eine Pulverpartikelgröße von 0,3 bis 8 um aufweist, und das Keramikpulver eine Pulverpartikelgröße von 0,1 bis 1 um aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Keramikpulver eine Pulverpartikelgröße aufweist, die kleiner als diejenige des Kupferpulvers ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Grünfolie bei einer Temperatur von ungefähr 700 bis ungefähr 1000ºC während des Brennens zu schrumpfen beginnt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Keramikpulver aus einem aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Mullit ausgewählten Keramikmaterial besteht.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Pulvermischung durch Vermischen des Kupferpulvers mit dem Keramikpulver in einem solchen Verhältnis bereitet wird, daß eine starke Schrumpfung, die ansonsten bei einer Temperatur in der Nähe von 600ºC während eines Brennens von nur Kupferpulver auftreten würde, unterdrückt wird, und eine Schrumpfung bei einer Temperatur in der Nähe von 1000ºC während des Brennens der Pulvermischung abgeschlossen ist.