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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine leitfähige Paste und ein keramisches
Substrat und insbesondere eine zur Ausbildung einer Durchkontaktierung
in einem keramischen Substrat verwendete leitfähige Paste und ein keramisches
Substrat, das unter Verwendung der Paste ausgebildet wird.
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Stand der Technik
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Herkömmlicherweise
wird ein mehrschichtiges keramisches Substrat, in dem innere Elektroden
und Schaltungen mittels Durchkontaktierungen verbunden sind, mittels
des folgenden Verfahrens hergestellt.
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Zunächst wird
in einer keramischen Grünfolie
unter Verwendung eines Bohrers oder eines Stempels ein Loch zur
Bereitstellung einer Durchkontaktierung ausgebildet, und das Loch
wird mit einer leitfähigen
Paste oder einem leitfähigen
Metallpulver gefüllt.
Dann wird auf einer Oberfläche
der keramischen Grünfolie
durch Auftragen einer leitfähigen
Paste mittels beispielsweise eines Siebdruckverfahrens eine Elektrode
oder eine Schaltung ausgebildet. Anschließend wird aus einer Vielzahl
der auf diese Weise ausgebildeten keramischen Grünfolien ein Schichtstoff gebildet
und gepreßt,
und der entstehende Schichtstoff wird so geschnitten, daß er ein
keramisches Substrat mit einer vorbestimmten Größe bildet. Als Ergebnis des
Brennens des geschnittenen Stücks
werden die Keramik und die leitfähige
Paste oder das leitfähige
Metallpulver, die in das Loch eingebettet wurden, co-gesintert,
um dadurch einen elektrischen Kontakt zwischen Leiterschaltungen
im keramischen Substrat herzustellen. Auf diese Weise wird ein mehrschichtiges
keramisches Substrat erhalten.
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Bei
dem oben beschriebenen, herkömmlichen
Verfahren zum Herstellen eines keramischen Substrats wird im Hinblick
auf den niedrigen spezifischen Widerstand, die Beständigkeit
gegen die Bildung von Wanderbewegungen und die niedrigen Kosten
Kupferpulver verwendet.
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Ein
solches Kupferpulver wird gemischt und in einer organischen Trägersubstanz
verteilt, in der eine Kunstharzkomponente, wie beispielsweise Ethylcellulose,
gelöst
wurde, um dadurch als leitfähige
Paste zu dienen.
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Im
herkömmlichen
Verfahren zum Herstellen eines keramischen Substrats werden keramische
Grünfolien
und mit Metallpulver gefüllte
Durchkontaktierungen gleichzeitig während eines Brennschritts gesintert. Dieses
Verfahren weist jedoch Nachteile auf. Wenn Durchkontaktierungen
mit einer leitfähigen
Paste gefüllt sind
und die sich daraus ergebende Keramik gebrannt wird, bildet der
enthaltene metallische Leiter in den Durchkontaktierungen Risse,
und die Keramik platzt aufgrund entweder übermäßiger oder unzureichender Mengen
der Paste in den Durchkontaktierungen oder der Differenz in der
Schrumpfung zwischen der Paste und den keramischen Grünfolien
während
des Brennens ab. Solche Risse des metallischen Leiters in den Durchkontaktierungen
und das Abplatzen der Keramik verursachen schlechtes elektrisches
Leiten und strukturelle Mängel
in den Durchkontaktierungen, so daß dadurch die Zuverlässigkeit
des erhaltenen keramischen Substrats verringert wird.
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Das
Dokument
EP-A-0 624
902 offenbart eine leitfähige Paste mit Pulvern aus
anorganischem Material, die leitfähige Pulver und Glaspulver
enthalten, einer organischen Trägersubstanz,
die ein organisches Bindemittel und ein organisches Lösungsmittel
enthält,
sowie einer metallorganischen Verbindung. Bei dem leitfähigen Pulver
kann es sich um Kupfer handeln, das eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich
von 0,5 bis 50 μm
aufweist. In der organischen Trägersubstanz
können
Kunstharze, einschließlich
Acrylharz, verwendet werden. Organische Lösungsmittel, die diese Kunstharze
lösen können, umfassen
Terpineol. Als metallorganische Verbindung wird ein metallorganischer
Komplex bevorzugt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Um
die vorgenannten Nachteile zu überwinden,
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leitfähige Paste
bereitzustellen, die während
des Brennens kaum Risse bildet, um dadurch eine hervorragende Zuverlässigkeit
bei der elektrischen Leitung zu erzielen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein keramisches
Substrat bereitzustellen, das die Paste nutzt.
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Eine
noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine leitfähige Paste
bereitzustellen, die eine Durchkontaktierung mit einer hervorragenden
Lötbarkeit
und Metallbeschichtbarkeit bereitstellen kann. Zudem ist es eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein keramisches Substrat
bereitzustellen, das die Paste nutzt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine leitfähige Paste zum Ausbilden einer
Durchkontaktierung in einem keramischen Substrat bereit mit 80–94 Gew.-%
eines kugeligen oder körnigen,
leitfähigen
Metallpulvers mit einer Partikelgröße von 0,1–50 μm, 1–10 Gew.-% eines Harzpulvers,
das in einem in der leitfähigen
Paste enthaltenen Lösungsmittel
quillt und eine Partikelgröße von 0,1–40 μm aufweist
und 5–19
Gew.-% einer organischen Trägersubstanz,
die das Lösungsmittel
umfaßt.
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Bei
dem leitfähigen
Metallpulver handelt es sich bevorzugt um ein Kupferpulver.
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Bei
dem Lösungsmittel
in der leitfähigen
Paste handelt es sich bevorzugt um ein Lösungsmittel auf Terpineolbasis,
und bei dem Harzpulver, das im Lösungsmittel
quillt, handelt es sich um ein Urethanharzpulver oder ein Acrylharzpulver.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen eines
keramischen Substrats bereit, das die folgenden Schritte umfaßt: Ausbilden
eines Lochs in einer keramischen Grünfolie; Füllen des Lochs zum Bereitstellen
einer Durchkontaktierung mit der oben beschriebenen leitfähigen Paste
zum Bereitstellen einer Durchkontaktierung; Bilden eines Schichtstoffs
aus einer Vielzahl der keramischen Grünfolien, wobei bei jeder das
Loch mit der leitfähigen
Paste gefüllt
ist, um einen Schichtkörper
auszubilden; und Brennen des Schichtkörpers.
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Wie
im vorliegenden Dokument verwendet, bezeichnet das Harzpulver, das
in einem in der leitfähigen Paste
enthaltenen Lösungsmittel
quillt, ein Harzpulver, welches das Quellen in Gegenwart eines Lösungsmittels
zeigt, das die in der leitfähigen
Paste enthaltene, organische Trägersubstanz
bildet.
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Wie
im vorliegenden Dokument verwendet, bezeichnet die Durchkontaktierung
nicht nur eine Durchkontaktierung im engeren Sinne, die zum Verbinden
interner Elektroden oder innerer Schaltungen bereitgestellt wird,
sondern auch ein Durchgangsloch, das so ausgebildet ist, daß es durch
das keramische Substrat hindurch verläuft.
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Die
leitfähige
Paste gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
kugeliges oder körniges,
leitfähiges Metallpulver,
da die Durchkontaktierungen in einem wünschenswerteren Zustand mit
dem Pulver in derartiger Form gefüllt werden können. Als
Partikelgröße des leitfähigen Metallpulvers
wird aus den folgenden Gründen 0,1–50 μm bestimmt:
Wenn die Partikelgröße geringer
als 0,1 μm
ist, erhöht
sich die Viskosität
der leitfähigen Paste,
und wenn ein Grundmetallpulver als leitfähiges Metallpulver verwendet
wird, werden die bestimmten Oberflächen des Grundmetallpulvers
oxidiert, so daß sich
dadurch die Charakteristik des elektrischen Leitwiderstands verschlechtert,
während
bei einer Partikelgröße über 50 μm die Paste
nicht mehr für
den Siebdruck geeignet ist. Als Gehalt des leitfähigen Metallpulvers werden
als 80–94
Gew.-% bestimmt; wenn der Gehalt weniger als 80 Gew.-% beträgt, ist
die Packungsdichte gering, während
bei einem Gehalt von über
94 Gew.-% die Bildung einer Paste aufgrund eines übermäßigen Anteils
der Feststoffkomponente schwierig wird.
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Als
Partikelgröße des Harzpulvers,
das in einem in der Paste enthaltenen Lösungsmittel quillt, wird 0,1–40 μm bestimmt.
Wenn die Partikelgröße geringer
als 0,1 μm
ist, erhöht
sich die Viskosität
der leitfähigen Paste,
während
bei einer Partikelgröße von über 40 μm das gequollene
Harzpulver in der Paste ein Gewebe eines Siebs verstopft. Beide
Fälle sind
für den
Siebdruck nicht geeignet. Obwohl das Harzpulver, das in einem in
der Paste enthaltenen Lösungsmittel
quillt, im Hinblick auf eine Optimierung der Packung in einem Loch
bevorzugt kugelig oder körnig
ist, kann auch Harzpulver mit flacher Form, wie beispielsweise als
Flocken, verwendet werden. Außerdem
wird als Gehalt des Harzpulvers, das in einem in der Paste enthaltenen
Lösungsmittel
quillt, 1–10
Gew.-% bestimmt. Wenn der Gehalt weniger als 1 Gew.-% beträgt, bildet
das leitende Metall Risse; während
bei einem Gehalt von über
10 Gew.-% zahlreiche Kavitäten
in den Durchkontaktierungen gebildet werden, so daß sich der
elektrische Widerstand und außerdem
die Lötbarkeit
und Metallbeschichtbarkeit verschlechtern.
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Außerdem können in
der leitfähigen
Paste gemäß der vorliegenden
Erfindung verschiedene organische Trägersubstanzen verwendet werden,
die im allgemeinen für
die Ausbildung dicker Folien von leitfähiger Paste Verwendung finden.
Bevorzugt werden die in die Paste eingebundenen, organischen Trägersubstanzen unter
Berücksichtigung
der Kombination mit einem in keramischen Grünfolien verwendeten Bindemittel
gewählt.
Beispiele von bevorzugten organischen Trägersubstanzen umfassen ein
in einem Lösungsmittel
auf Terpineolbasis gelöstes
Ethylcelluloseharz.
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Wie
oben beschrieben, verbessert die Einbindung eines Harzpulvers, das
in einem in der Paste enthaltenen Lösungsmittel quillt, die Packung
der leitfähigen
Paste in einer Durchkontaktierung und verzögert das Sintern von leitfähigem Metall
in der leitenden Paste während
des Brennens, so daß dadurch
ein Reißen
des leitenden Metalls in den Durchkontaktierungen nach dem Brennen
verhindert wird. Zusätzlich
können,
da das gequollene Harzpulver durch Zersetzung während des Brennschritts entfernt
wird, Durchkontaktierungen, die eine hervorragende Lötfähigkeit
und Metallbeschichtbarkeit aufweisen, ohne Verschlechterung der
beiden Charakteristiken ausgebildet werden. Zudem ist die aus der
Einbindung des quellenden Kunstharzes erhaltene Wirkung größer als
derjenige eines nicht quellenden Kunstharzes. Kurz gesagt verbessert
das Quellen, das heißt
die Erhöhung
des Rauminhalts des Harzpulvers in der Paste, die Packungseigenschaften
weiter und verzögert
das Sintern des leitfähigen
Metalls während
des Brennens.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch den Zustand zeigt, in
dem Löcher
zum Bereitstellen der Durchkontaktierungen mit einer leitenden Paste
gefüllt
werden;
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2 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch eine auf einer keramischen
Grünfolie
ausgebildete Schaltung zeigt; und
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3 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Schichtkörper zeigt,
der mittels Bildens eines Schichtstoffs aus einer Vielzahl von keramischen
Grünfolien
gebildet wurde.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Als
erstes wurde eine keramische Grünfolie
bereitet. Kurz gesagt wurde ein Pulver aus BaO-Al2O3-SiO2-Glasverbundmaterial
als keramisches Material bereitgestellt. Zu diesem Pulver wurden
ein organisches Bindemittel, wie beispielsweise Polyvinylbutyral,
und ein organisches Lösungsmittel,
wie beispielsweise Toluol, gegeben, und die dabei entstehende Mischung
wurde geknetet, um eine anfängliche
Aufschlämmung
zu bereiten. Aus der Aufschlämmung
wurde mittels des Doctor-Blade-Verfahrens
eine Folie gebildet, um dadurch eine keramische Grünfolie zu
erhalten. Anschließend
wurden mittels eines Stempels Löcher
in die keramische Grünfolie
gestanzt.
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Als
zweites wurde eine leitfähige
Paste bereitet. Kurz gesagt wurde ein Pulver aus kugeligen Kupferpartikeln
als leitfähigem
Metallpulver bereitgestellt, und Pulver aus kugeligen Urethanharzpartikeln
und Acrylharzpartikeln wurden als Harzpulver bereitgestellt, die
in einem Lösungsmittel
in der leitfähigen
Paste quellen. Eine organische Trägersubstanz wurde durch Lösen des
organischen Bindemittels Ethylcelluloseharz in einem Lösungsmittel
auf Terpineolbasis bereitet. Diese Materialien wurden mittels einer
Dreiwalzenmühle
gemischt und geknetet, um leitfähige
Pasten für
die Bildung von Durchkontaktierungen zu erhalten, wie in Tabelle
1 gezeigt. Zum Vergleich wurde außerdem eine leitfähige Paste
bereitet, die nur aus Kupferpulver und einer organischen Trägersubstanz
gebildet wurde. Tabelle 1 Mit einem Sternchen (*) gekennzeichnete
Proben liegen außerhalb
des Schutzumfangs der Erfindung.
Nr. der Probe | Zusammensetzung
der leitenden Paste | Auswertungen |
Kupferpulver (Gew.-%) | Quellfähiges Harzpulver
(Gew.%) | Organische
Trägersubstanz (Gew.%) | Rißbildung | Abplatzen
der Keramik | Metallisierbarkeit | Lötbarkeit |
*1 | 85 | 0 | – | 15 | Ja | Nein | Gut | Gut |
*2 | 85 | 0,5 | Urethan | 14,5 | Ja | Nein | Gut | Gut |
3 | 80 | 1 | Urethan | 19 | Nein | Nein | Gut | Gut |
4 | 85 | 5 | Urethan | 10 | Nein | Nein | Gut | Gut |
5 | 85 | 5 | Acryl | 10 | Nein | Nein | Gut | Gut |
6 | 94 | 1 | Urethan | 5 | Nein | Nein | Gut | Gut |
7 | 90 | 5 | Urethan | 5 | Nein | Nein | Gut | Gut |
8 | 80 | 10 | Urethan | 10 | Nein | Nein | Gut | Gut |
*9 | 80 | 15 | Urethan | 5 | Ja
(Kavität) | Nein | Schlecht | Schlecht |
*10 | 95 | 1 | Urethan | 4 | Bildung
der Paste nicht möglich |
*11 | 75 | 10 | Urethan | 15 | Ja (schlechte
Packung) | Nein | Nicht
so gut | Nicht
so gut |
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Als
drittes wurde ein mehrschichtiges keramisches Substrat ausgebildet.
Kurz gesagt wurden, wie in 1 gezeigt,
in einer keramischen Grünfolie 1 ausgebildete
Durchkontaktierungen 2 mittels Siebdruck mit einer leitenden
Paste 3 gefüllt.
Nach dem Trocknen der Paste wurde, wie in 2 gezeigt,
eine leitfähige
Paste 4 zum Ausbilden einer Schaltung, ebenfalls mittels
Siebdruck, auf die keramische Grünfolie 1 aufgebracht,
um dadurch eine Schaltung 5 auszubilden.
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Anschließend wurde,
wie in 3 gezeigt, aus einer Vielzahl der auf diese Weise
hergestellten keramischen Grünfolien 1,
die jede eine vorbestimmte Schaltung aufweisen, ein Schichtstoff
gebildet und mittels Druckkontaktierung verbunden, um dadurch einen
Schichtkörper 6 zu
bilden, der an vorbestimmten Positionen geschnitten wurde. Die geschnittenen
Stücke
von Körpern
aus Schichtstoff wurden in einer Stickstoffatmosphäre bei 1000°C 1–2 Stunden
lang gebrannt, um dadurch mehrschichtige keramische Substrate zu
erhalten. Obwohl der Schichtkörper
in den vorliegenden Beispielen an vorbestimmten Positionen geschnitten
wurde, kann der Schritt des Schneidens weggelassen werden.
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Eine
Probe der erhaltenen keramischen Substrate wurde mit einem Lösungsmittel
entfettet, um dadurch eine ölige
Komponente und einen Oxidfilm von der Leiteroberfläche zu entfernen.
Die Oberfläche
der Probe wurde unter Verwendung einer Pd-Lösung aktiviert und einer stromlosen
Abscheidung mit Ni unterzogen.
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Anschließend wurde
das auf diese Weise erhaltene keramische Substrat geschnitten, und
sein Querschnitt wurde mittels eines Stereomikroskops untersucht,
um dadurch das Vorkommen von Rissen des leitenden Metalls in den
Durchkontaktierungen und das Abplatzen der Keramik zu prüfen.
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Zusätzlich wurde
die Oberfläche
des auf dem leitenden Metall der Durchkontaktierungen ausgebildeten
Ni-Beschichtungsfilms mittels Raster-Elektronenmikroskop untersucht, um die
Metallbeschichtbarkeit auszuwerten. Die Lötbarkeit der Oberfläche des
leitenden Metalls der Durchkontaktierungen wird nach dem Löten auch
untersucht. Die erhaltenen Auswertungen zu den Eigenschaften sind
in Tabelle 1 gezeigt.
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Wie
in Tabelle 1 gezeigt, konnte im Fall der Probe Nr. 10, die einen
Kupferpulvergehalt außerhalb
des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung aufweist, keine Paste
gebildet werden. Wie im Fall von Probe Nr. 10, die einen Kupferpulvergehalt
unterhalb des vorbestimmten Wertebereichs der vorliegenden Erfindung
aufweist, war die Packung der Durchkontaktierungen unzureichend,
und es wurde eine Rißbildung
im leitenden Metall der Durchkontaktierungen beobachtet. Außerdem waren
die Metallbeschichtbarkeit und die Lötbarkeit nicht zufriedenstellend.
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Hinsichtlich
des Gehalts des quellenden Harzpulvers, wie im Fall von Probe Nr.
1 und Probe Nr. 2, bei denen dessen Gehalt unterhalb des vorbestimmten
Wertebereichs der vorliegenden Erfindung liegt, wurde eine Rißbildung
im leitenden Metall der Durchkontaktierungen beobachtet, während im
Fall von Probe Nr. 9, bei der dessen Gehalt über dem vorbestimmten Wertebereich
der vorliegenden Erfindung liegt, Kavitäten im leitenden Metall der
Durchkontaktierungen beobachtet wurden und die Metallbeschichtbarkeit
und die Lötbarkeit
nicht zufriedenstellend waren.
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Im
Gegensatz dazu wurde im Fall von Probe Nr. 3 bis Probe Nr. 8, bei
denen der Gehalt von Kupferpulver, quellendem Harzpulver und einer
organischen Trägersubstanz
innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt, weder eine Rißbildung
im leitenden Metall der Durchkontaktierungen noch ein Abplatzen
der Keramik beobachtet, und keramische Substrate, die eine hervorragende
Metallbeschichtbarkeit und Lötbarkeit
aufwiesen, wurden erhalten. Die Ergebnisse werden einer vollständigen Realisierung
der Funktionen des quellenden Harzpulvers zugeschrieben. Anders
ausgedrückt
verbessert das Harzpulver die Packung, verzögert das Schrumpfen des leitenden
Metalls während
des Brennens, um dadurch eine Rißbildung zu verhindern, und zersetzt
sich, um nach dem Brennen entfernt zu werden, wodurch keine ungünstige Auswirkung
auf die Metallbeschichtbarkeit und die Lötbarkeit verursacht werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in den vorgenannten Beispielen im Hinblick
auf die Herstellung keramischer Substrate beschrieben wurde, die
Durchkontaktierungen aufweisen, ist die leitende Paste auch zum Ausbilden
von Durchkontaktierungen anwendbar, die durch ein keramisches Substrat
hindurch verlaufen, sowie zum Ausbilden von Durchkontaktierungen
in einem keramischen Substrat. In einem solchen Fall wird die Wirkung
der vorliegenden Erfindung auch bei der Ausbildung einer Durchkontaktierung
erhalten.
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Zusätzlich ist
das leitfähige
Pulver, obwohl die vorliegende Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf
den Fall beschrieben wurde, in dem Kupferpulver als leitfähiges Metallpulver
verwendet wird, nicht nur auf Kupferpulver beschränkt, und
es kann das Pulver eines Edelmetalls, wie beispielsweise Silber,
Palladium, Platin oder Gold und Legierungen davon, sowie Pulver
eines Grundmetalls, wie Nickel und Legierungen davon, verwendet
werden.
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Die
anderen Komponenten unterliegen gemäß der vorliegenden Erfindung
keinen besonderen Beschränkungen.
Daher sind innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung
vielfältige
Anwendungen und Modifikationen im Hinblick auf beispielsweise die
Art der Keramik, die das keramische Substrat bildet, die Art des
in der keramischen Grünfolie
verwendeten Bindemittels, die Art des Harzpulvers, das in einem
in der leitfähigen
Paste enthaltenen Lösungsmittel
quillt, oder die Struktur des keramischen Substrats möglich.
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Wie
oben beschrieben, kann die leitfähige
Paste gemäß der vorliegenden
Erfindung die Packung der leitfähigen
Paste in einer Durchkontaktierung verbessern, um dadurch ein Versagen
der Packung zu verhindern.
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Das
Harzpulver, das in einem in der leitfähigen Paste enthaltenen Lösungsmittel
quillt, verzögert
das Schrumpfen des leitfähigen
Metalls (des leitenden Metalls), um dadurch eine Rißbildung
in der Durchkontaktierung und ein Abplatzen der Keramik zu verhindern,
die durch die beim Brennen bewirkte Differenz in der Schrumpfung
zwischen der leitfähigen
Paste und den keramischen Grünfolien
bewirkt wird.
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Wenn
als leitfähiges
Metallpulver Kupferpulver verwendet wird, können ein geringer spezifischer
Widerstand, Beständigkeit
gegen die Bildung von Wanderbewegungen und niedrige Kosten realisiert
werden. Daher können
Durchkontaktierungen, die eine hohe Zuverlässigkeit bei der elektrischen
Leitung aufweisen, zu niedrigen Kosten ausgebildet werden.
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Außerdem kann
das Verfahren zum Herstellen einer leitfähigen Paste wirkungsvoll eine
Durchkontaktierung mit hervorragender Lötbarkeit und Metallbeschichtbarkeit
sowie einer hohen Zuverlässigkeit
bei der elektrischen Leitung bereitstellen.