DE69936329T2 - Verfahren zur herstellung eines keramischen mehrschichtigen substrats - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines keramischen mehrschichtigen substrats Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Keramiksubstrats, das für elektronische Geräte eingesetzt wird, und insbesondere auf Verfahren zum Herstellen eines nicht schrumpfbaren mehrschichtigen Substrats, das die Schrumpfung des Substrats während des Brennens erheblich unterdrückt.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Normalerweise werden mehrschichtige Keramiksubstrate unter Verwendung eines Verfahrens hergestellt, das als das Rohfolien-Laminierungsverfahren bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren werden Rohfolien, die durch Formen eines Keramikpulver und ein organisches Bindemittel enthaltenden Schlickers in eine Folie hergestellt werden, gestanzt (um Löcher zu erzeugen) und mit einer leitfähigen Paste siebbedruckt. Diese Rohfolien werden in der erforderlichen Anzahl gestapelt, druckerhitzt, um die Schichten zu laminieren, und dann gebrannt.
  • Die Vorteile dieses Verfahrens schließen die Ausführbarkeit von Feinmusterdruck, die durch die äußerst flexible Rohfolie und durch gute Permeabilität für organische Lösungsmittel umgesetzt wird, sowie gute Oberflächenglätte und Luftdichtigkeit, die die Laminierung von sogar bis zu mehreren Dutzend Schichten ermöglichen, ein.
  • Demgegenüber ist der Hauptnachteil die Schwierigkeit, Maßhaltigkeit zu erzielen. Dies ist auf die mit Sinterung verbundene Schrumpfung des Keramiksubstrats zurückzuführen, die während des Brennens auftritt. Ungenaue Abmessungen verursachen eine Fehlanpassung zwischen den Bestandteilen und Leiterbildern, was zu dem ernsten Problem führt, dass Halbleiterchips, wie zum Beispiel CSPs (chip size packages – Chipgrößenpakete) und MCMs (Multi-Chip-Module) nicht mit hoher Genauigkeit montiert werden können.
  • Als Folge haben sich jüngste Entwicklungen auf ein Verfahren zum Beseitigen von lateraler Schrumpfung während des Brennens konzentriert. Dieses Verfahren umfasst die Bildung von Schrumpfungsunterdrückungs-Folien unter Verwendung des Rakelverfahrens, die aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, bestehen, das bei der Sintertemperatur von Rohfolie nicht sintert. Diese Folien werden auf beiden Außenflächen des laminierten Rohfolienkörpers angeordnet und gebrannt. Das gesinterte mehrschichtige Keramiksubstrat schrumpft dann nur in Richtung der Dicke und nicht in seitlicher Richtung und ermöglicht das Montieren von Halbleiterchips mit erheblich größerer Genauigkeit.
  • 2 stellt das herkömmliche Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Keramiksubstrats 2 dar. Nach dem Brennen des mehrschichtigen Keramiksubstrats 2 werden Schrumpfungsunterdrückungs-Folien 1 an beiden Außenflächen eines mehrschichtigen Keramiksubstrats durch Drehen einer trockenen Bürstenwalze 3 mit hoher Geschwindigkeit entfernt, wie in 2 dargestellt.
  • Dieses herkömmliche Entfernungsverfahren ist jedoch möglicherweise nicht in der Lage, die Menge der zu entfernenden Schrumpfungsunterdrückungs-Folie zu steuern, indem einfach die Drehgeschwindigkeit der Bürstenwalze oder die Entfernung zu dem Substrat, d.h. die Stärke der das Substrat schleifenden Bürste, geändert wird. Zum Beispiel führen eine zu langsame Drehgeschwindigkeit der Bürste oder eine unzureichende Schleifdauer zu einer ungleichmäßigen Entfernung. Das Leiterbild auf der Oberfläche des mehrschichtigen Substrats kann beschädigt werden, wenn die Umdrehung der Bürste zu schnell oder die Schleifdauer zu lang ist. Als Folge kann das Leiterbild entfernt oder kurzgeschlossen werden, was in einer niedrigen Ausbeute resultiert. Im Fall eines unregelmäßig geformten Substrats mit einem Hohlraum A an der Oberfläche des mehrschichtigen Substrats wird ferner, wie in 2 dargestellt, ein Rückstand in dem Hohlraum A nicht immer erfolgreich durch die Bürstenwalze 3 entfernt.
  • EP-A-0.570.855 stellt ein Verfahren zum Erzeugen eines mehrschichtigen Keramiksubstrats bereit, das die folgenden Schritte umfasst: Bilden von zumindest zwei Rohfolien, von denen jede ein Sinterglas-Trägermaterial mit niedriger Brenntemperatur umfasst, Bilden eines Elektrodenmusters und eines Durchgangslochs auf jeder und durch jede Rohfolie mit einer Leitpaste, Laminieren der Rohfolien, um einen Schichtstoff zu erhalten, Bilden eines Rohfolien-Paares, das aus einem anorganischen Material besteht, das bei einer Brenntemperatur der Rohfolie des Sinterglas-Trägermaterials mit niedriger Brenntemperatur oder bei einer niedrigeren Temperatur nicht gesintert wird, und darauf folgendes Bilden eines Lochs durch die Rohfolie aus anorganischem Material, Laminie ren der Rohfolie aus anorganischem Material auf der äußersten Rohfolie des Schichtstoffs, um einen resultierenden Schichtstoff zu erhalten, bei dem das Loch über einem Abschnitt des Elektrodenmusters einer äußersten Sinterglas-Rohfolie mit niedriger Brenntemperatur des Schichtstoffs positioniert wird, Brennen des resultierenden Schichtstoffs bei der Brenntemperatur und Entfernen des ungesinterten anorganischen Materials.
  • US-A-4.896.464 bezieht sich auf einen Keramikbaustein und auf Verfahren zum Bilden von vorstehenden, aufrechten, elektrisch leitenden Stiften durch den gezielten Abrieb einer Oberfläche eines mehrschichtigen Keramikbausteins. Eine Abstrahlvorrichtung wird angrenzend an die Oberfläche angeordnet, um einen Strom von Schleifteilchen gegen die Oberfläche zu richten. Die Teilchen schlagen sowohl gegen die metallischen Leiter als auch gegen das keramische Material der Schicht. Da das keramische Material relativ hart und spröde im Vergleich zu den dehnbaren metallischen Leitern ist, schleifen die Schleifteilchen die Keramikschicht schneller weg als das dehnbare metallische Material der Leiter. Die Schleifteilchen können aus einem beliebigen geeigneten Schleifmittel bestehen, wie zum Beispiel aus Aluminiumoxid, Siliziumkarbid oder Wolframkarbid. Der Baustein kann unter einer Düse der Abstrahlvorrichtung gedreht werden, wobei die Düse über der Oberfläche, die abgeschliffen wird, linear translatorisch bewegt wird.
  • ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Keramiksubstrats der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Es schließt das Aufsprühen von Wasser, von Keramikpulver oder eines Gemischs aus Keramikpuler und Wasser zusammen mit Druckluft zum Entfernen einer Schrumpfungsunterdrückungs-Folie von einem laminierten Rohfolienkörper, der aus einem Trägermaterial mit niedriger Brenntemperatur besteht, ein.
  • Die genaue Steuerbarkeit dieses Verfahrens durch Ändern des Drucks der Druckluft ermöglicht die völlige Entfernung der Schrumpfungsunterdrückungs-Folie, ohne eine ungleichmäßige Entfernung zu verursachen, selbst wenn in dem Substrat ein Hohlraum vorhanden ist. Darüber hinaus verbessert sich die Schleiffähigkeit durch Zufügen von Keramikpulver.
  • Ferner bleiben Eigenschaften des für das Erzeugen des laminierten Rohfolienkörpers verwendeten Keramikpulvers unverändert, selbst wenn sich das entfernte Schrumpfungsunterdrückungs-Folienmaterial mit dem Keramikpulver mischt, weil das gleiche Material für das Keramikpulver, das aufgesprüht wird, und für den Hauptbestandteil der Schrumpfungsunterdrückungs-Folie verwendet wird. Dementsprechend kann aufgesprühtes Keramikpulver zur Wiederverwendung aufgefangen werden, was es ermöglicht, dieses Verfahren für kontinuierlich arbeitende Umlaufvorrichtungen einzusetzen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Seitenansicht, die ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Keramiksubstrats nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 2 ist eine Seitenansicht, die ein Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Keramiksubstrats nach dem Stand der Technik darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Eine erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 beschrieben. Ein laminierter Rohfolienkörper 2 ist ein ungebranntes mehrschichtiges Substrat mit niedriger Brenntemperatur vor dem Sintern, der üblicherweise aus Aluminiumoxid und Glas hergestellt ist. Durch das Rakelverfahren gebildete Schrumpfungsunterdrückungs-Folien 1 werden an beiden Außenflächen des laminierten Rohfolienkörpers 2 angeordnet. Ein Material, das bei der Sintertemperatur des laminierten Rohfolienkörpers 2 nicht sintert, wird für die Schrumpfungsunterdrückungs-Folie 1 ausgewählt. Üblicherweise besteht die Schrumpfungsunterdrückungs-Folie 1 aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Aluminiumoxid. Dann wird der laminierte Rohfolienkörper 2, auf dem an beiden Außenflächen die Schrumpfungsunterdrückungs-Folien 1 ausgebildet worden sind, gebrannt.
  • Nach dem Brennen werden die an beiden Außenflächen des laminierten Rohfolienkörpers 2 ausgebildeten Schrumpfungsunterdrückungs-Folien 1 durch Aufsprühen eines Gemischs aus Wasser und Aluminiumoxid-Pulver von einer Düse 4, die mit einer Zuleitung zum Zuführen des Wasser- und Aluminiumoxid-Pulver-Gemischs 5 und mit einer Zuleitung zum Zuführen von Druckluft 6 verbunden ist, entfernt. Die Schrumpfungsun terdrückungs-Folien 1 werden so durch den Einspritzdruck des Wasser- und Aluminiumoxid-Pulver-Gemischs entfernt.
  • Es wurden die Bedingungen für die Entfernung der Schrumpfungsunterdrückungs-Folie untersucht, und zwei Beispiele werden unten beschrieben. In den Beispielen werden ein mehrschichtiges Keramiksubstrat 2 in der Größe von 115 mm × 115 mm und eine 200 μm dicke, aus Aluminiumoxid bestehende Schrumpfungsunterdrückungs-Folie 1 verwendet.
  • Tabelle 1 zeigt die Verarbeitungsbedingungen und die zufrieden stellenden Ergebnisse, die durch Mischen von 96 g Wasser und 4 g Aluminiumoxid-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0 bis 10 μm und durch Aufsprühen des Gemischs während ungefähr 100 bis 400 Sekunden unter Verwendung von Druckluft mit einem Druck von 3,0 bis 5,5 kg/cm2 erzielt werden.
  • In einem ersten Beispiel, das keine Ausführung der beanspruchten Erfindung ist, zeigt Tabelle 2 Verarbeitungsbedingungen und die zufrieden stellenden Ergebnisse, die unter Verwendung nur von Aluminiumoxid-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,1 bis 150 μm ohne Verwendung von Wasser und durch Aufsprühen von Aluminiumoxid-Pulver während ungefähr 100 bis 400 Sekunden unter Verwendung von Druckluft mit einem Druck von 3,0 bis 5,5 kg/cm2 erzielt werden.
  • Bei der Ausführungsform und dem ersten Beispiel betrug die Entfernung zwischen dem mehrschichtigen Keramiksubstrat 2 und der Düse 4 ungefähr 50 mm. Nach der Entfernung wurde das Substrat 15 Minuten lang mit einem Deionat bei 120 ± 5°C gespült. Tabelle 1 zeigt darüber hinaus einen Vergleich der Ergebnisse des herkömmlichen Herstellungsverfahrens und des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.
  • Tabelle 1
    Figure 00060001
  • Tabelle 2
    Figure 00060002
  • In einem zweiten Beispiel, das keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, kann die Schrumpfungsunterdrückungs-Folie entfernbar sein, indem nur Wasser ohne Keramikpulver zusammen mit Druckluft aufgesprüht wird.
  • Bei der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, dass die durchschnittliche Teilchengröße des Keramikpulvers zum Entfernen der Schrumpfungsunterdrückungs-Folie 1 den in Tabelle 1 dargestellten Bereich nicht überschreitet, da Risse an der Oberfläche des Keramiksubstrats auftreten können. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus vorgezogen, dass der Druck der Druckluft den in Tabelle 1 dargestellten Bereich nicht überschreitet, da es zu lange dauern kann, die Schrumpfungsunterdrückungs-Folie 1 zu entfernen oder Risse an der Oberfläche des Substrats oder ein Bruch des Substrats hervorgerufen werden können.
  • Bei der beispielhaften Ausführungsform besteht der laminierte Rohfolienkörper 2 aus Aluminiumoxid, und die Schrumpfungsunterdrückungs-Folie 1 besteht aus Aluminiumoxid-Pulver. Dementsprechend besteht ein Vorteil der beispielhaften Ausführungsform darin, dass nach dem Aufdrucken von leitfähigem Widerstandsmaterial und dergleichen in dem Verfahren nach dem Entfernen der Schrumpfungsunterdrückungs-Folie 1 aus organischen Substanzen bestehende Verunreinigungen nicht mit den aufgedruckten Materialien reagieren und eine schädliche Wirkung auf den laminierten Körper ausüben, wenn der laminierte Rohfolienkörper 2 gebrannt wird. Dies ist auf die Verwendung von anorganischem Aluminiumoxid-Pulver als ein Material für das Bilden der Schrumpfungsunterdrückungs-Folie zurückzuführen, die aus dem gleichen Material besteht, wie es für das Keramikpulver verwendet wird, das eingesetzt wird, um den laminierten Rohfolienkörper 2 zu bilden. Das herkömmliche Verfahren entfernt die Schrumpfungsunterdrückungs-Folie 1 mit Hilfe einer schnell drehenden Bürste. Daher kann, abhängig von dem Material der Bürste, auf der Oberfläche des laminierten Rohfolienkörpers 2 eine Verbrennung durch eine organische Substanz in der Bürste auftreten. Die verbleibende organische Substanz kann eine schädliche Wirkung auf den laminierten Körper ausüben, wenn der laminierte Rohfolienkörper 2 nach dem Entfernen der Schrumpfungsunterdrückungs-Folie 1 gebrannt wird.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Vermeidung einer ungleichmäßigen Entfernung oder eines Schadens an dem Leiterbild, was bei dem herkömmlichen Verfahren auftritt, und eine Verkürzung der Dauer des Vorgangs. Selbst bei einem ungleichmäßig geformten mehrschichtigen Substrat mit Hohlräumen auf seiner Oberfläche kann die Schrumpfungsunterdrückungs-Folie vollständig entfernt werden. Die Schleifstärke kann durch Anpassen des Mischungsverhältnisses von Sprühflüssigkeit, Luftdruck, Dauer und Düsenabstand genau gesteuert werden. Darüber hinaus kann der Vorgang durch Einspannen des Substrats auf beiden Außenflächen gleichzeitig ausgeführt werden.
  • Dementsprechend wird die Schrumpfung des Substrats während des Brennens zu einem äußerst hohen Grad unterdrückt, und es kann ein nicht schrumpfbares mehrschichtiges Substrat zuverlässig hergestellt werden. Dies ermöglicht das Montieren von Bestandteilen auf mehrschichtigen Substraten ohne jegliche Fehlanpassung zwischen den Bestandteilen und ihrer jeweiligen Leiterbilder und darüber hinaus das Montieren von Halbleiterchips, wie zum Beispiel CSPs (von chip size packages – Chipgrößenpaketen) und MCMs (von Multi-Chip-Modulen) mit hoher Genauigkeit, was ein Montieren mit hoher Dichte realisierbar macht.
  • Ferner ermöglicht die Verwendung des gleichen Materials für das aufzusprühende Keramikpulver und als den Hauptbestandteil der Schrumpfungsunterdrückungs-Folie das Auffangen des aufgesprühten Keramikpulvers zur Wiederverwendung für das Aufsprühen, wodurch ermöglicht wird, dass dieses Verfahren bei kontinuierlich arbeitenden Umlaufvorrichtungen angewandt wird.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen keramischen Substrats aus einem ungebrannten laminierten Rohfolienkörper (1), der eine Schrumpfungsunterdrückungs-Folie (2) aufweist, die an beiden Außenseiten ausgebildet ist, wobei das Verfahren einschließt: Brennen des laminierten Rohfolien-Körpers (2) zusammen mit der Schrumpfungsunterdrückungs-Folie (1), die an beiden Außenflächen des Körpers ausgebildet ist, gekennzeichnet durch: Entfernen der Schrumpfungsunterdrückungs-Folien (1) durch Aufsprühen von Keramikpulver und Wasser zusammen mit Druckluft auf die Schrumpfungsunterdrückungs-Folie (1) an beiden Außenflächen des laminierten Rohfolienkörpers (2) nach dem Brennen, und wobei das Keramikpulver aus dem gleichen Material wie der Hauptbestandteil des Material besteht, das für die Schrumpfungsunterdrückungs-Folien verwendet wird, und die durchschnittliche Teilchengröße des Keramikpulvers zwischen 0,5 und 10 μm beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sintertemperatur der Schrumpfungsunterdrückungs-Folien (1) höher ist als die Sintertemperatur des laminierten Rohfolien-Körpers (2).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Druck der Druckluft zwischen 3,0 und 5,5 kg/cm2 beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Keramikpulver und das Wasser zusammen mit Druckluft auf die Schrumpfungsunterdrückungs-Folien (1) gleichzeitig auf beide Flächen des laminierten Rohfolien-Körpers (2) gesprüht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das aufgesprühte Keramikpulver zur Wiederverwendung aufgefangen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das Gewichtsverhältnis von Keramikpulver und Wasser 4:96 beträgt.
  7. Einsatz des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–6 bei einem mehrschichtigen Keramiksubstrat, das wenigstens einen Hohlraum aufweist.
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