WO2013072457A1 - Eingebettete metallische strukturen in keramischen substraten - Google Patents

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WO2013072457A1
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Alexander Dohn
Klaus Herrmann
Alfred Thimm
Oskar Helgert
Roland Leneis
Sigurd Adler
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Ceramtec Gmbh
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    • Y10T29/49165—Manufacturing circuit on or in base by forming conductive walled aperture in base

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a substrate with embedded current-conductive metallic structures or metallizations, in particular for use as a circuit board and a substrate produced by this method.
  • Embedded line structures from multichip module technology are known.
  • the tracks must not be too high (or thick) (at most 10-20 ⁇ ), otherwise they can not be completely pressed.
  • the invention has for its object to improve a method according to the preamble of claim 1 so that in addition to the two-dimensional flat and planar, d. H. plate-shaped substrates also three-dimensional, d. H. curved or angular substrates can preferably be metallized profoundly on several sides.
  • this object is characterized in that trenches and / or recesses are buried in the substrate with laser technology and subsequently the metallic structures are produced in the trenches and / or recesses.
  • the substrate has a deviating from the flat plate, ie three-dimensional curved or angular geometry. By using a laser this is possible. As a result, three-dimensional complex geometries are possible.
  • the substrate is a ceramic substrate or a plastic substrate.
  • this preferably consists of an AlN ceramic, wherein after burying in the trenches and / or recesses with a laser, it is produced by decomposition Al, which is then oxidized using known methods such as electroless nickel, gold or copper and their alloys or a mixture this is further strengthened.
  • the ceramic substrate is poured into an organic metal salt solution, e.g. Dipped silver acetate or copper acetate and then the metal salts are exposed in the trenches and / or recesses with a suitable laser, wherein the metal salts convert to elements that bond firmly with the ceramic.
  • an oxide or glass-forming additives such as zinc acetate or silicone are added to the metal salts.
  • the trenches and / or recesses are filled with a thick film paste of a metal, and then, with a suitable laser, directly in the laser track, i. H. sintered in the trenches and / or recesses.
  • the unexposed areas outside the trenches and / or recesses or in partial areas of the trenches and / or recesses are washed off or abraded.
  • the metallizations in the trenches and / or recesses are electrolessly or cathodically reinforced and / or coated with cover metals.
  • the metallizations produced in the trenches and / or recesses terminate with the surface of the substrates on a plane and do not protrude from the substrate and are thus stackable.
  • a substrate according to the invention with embedded conductive metallic structures or metallizations, produced by the method just described, is characterized in that the metallic structures or metallizations have a vertical thickness of greater than 30 ⁇ m measured with respect to the surface of the substrates, particularly preferably greater 40 ⁇ , most preferably greater than 45 ⁇ and in an important case even 50 ⁇ on.
  • These bodies are, for example, ceramic substrates on which metallization areas are used, which are used as circuit boards.
  • the invention describes a (preferably three-dimensional) ceramic substrate or else plastic substrate with embedded current-conducting metallic structures or metallizations, produced from a ceramic or organic-chemical base body into which trenches and / or recesses for the metallic structures are buried with laser technology. Subsequently, the metallization is generated in the trenches and / or recesses.
  • Three-dimensional ceramic substrate is understood to mean a deviating from a flat plate geometry.
  • the ceramic substrate or the ceramic body with the trenches and / or recesses may be immersed in an organic metal salt solution such as e.g. Silver acetate or copper acetate dip, then the metal salts are exposed in the trenches and / or recesses with a suitable laser and the metal salts are converted to the elements that bond firmly with the ceramic.
  • an organic metal salt solution such as e.g. Silver acetate or copper acetate dip
  • an oxide or glass-forming additives such as zinc acetate or silicone may be added to the metal salts.
  • a metallization with a commercially available thick film paste is possible, which is filled in the trenches and / or recesses or in the layout. Then, with a suitable laser directly in the laser track, i. sintered in the trenches and / or recesses. Any excess unsintered batches can be removed again with an aqueous detergent with ultrasonic support.
  • the unexposed areas outside the trenches and / or recesses or in subregions of the trenches and / or recesses can be easily washed off or even sanded off.
  • the metallizations in the trenches and / or recesses can then be further electrolessly or cathodically further reinforced or coated with cover metals.
  • metallizations are obtained which terminate with the ceramic on one level and are therefore well suited for combination with circuit chips or flexible circuits (eg on / in polyimide).
  • Such laser-eroded and rendered conductive in trenches and / or recesses ceramics could also serve to rapidly produce prototypes of metallized circuits in / on ceramic.
  • a layout drawing could be scanned on a copier and immediately converted into laser commands for controlling the laser.
  • the invention closes a gap between thin film and thick film metallization. Strong metallizations or differently strengthened metallizations on a component with coarse and fine structure are possible side by side.
  • a sintered ceramic substrate (ceramic substrate) of AIN size 1 14 * 1 14 * 2 mm trenches and / or recesses of 50 ⁇ depth are lasered.
  • the decomposition of AIN -> AI + 0.5 N 2 by laser light produces a thin layer of aluminum.
  • This layer of aluminum is reinforced by placing the lasered ceramic substrate in a chemical nickel bath for 30 minutes (Ni2 +, usually dissolved as sulfamate in the bath, is reduced by reducing agents such as sodium hypophosphite on a "seeded" surface of Pd, and later after covering this Pd
  • Ni2 + usually dissolved as sulfamate in the bath
  • the nucleation to tungsten is achieved by immersion in a solution of Pd 2+, usually a very dilute palladium (II) chloride solution or ammonium tetrachloropalladate (II) solution
  • the result is a ceramic with embedded electrically conductive structures, as used, for example, as a carrier for electrical / electronic elements.
  • the electrically conductive structures are preferably completely in the ceramic, ie protrude not protruding from the surface of the ceramic Example 2
  • a sintered ceramic substrate (ceramic substrate) of AIN size 1 14 * 1 14 * 2 mm a structure (
  • the ceramic is immersed in a solution of 10% silver acetate and 5% polyvinyl alcohol (for thickening). Then the part is dried at 70 ° C. With a fineline laser, the metal salt layer is converted into the metal silver in the previously introduced depressions by decomposing the acetate by the heat introduced. In 80 ° C hot DI water (demineralised water), the undecomposed areas are redissolved with silver acetate-polyvinyl alcohol.
  • the silver layer can be cathodically reinforced with gold until it has a flat finish of trenches and ceramics.
  • a process for the preparation of the substrates according to the invention is characterized by the following process steps, which are to be carried out in sequence:
  • Trenches and / or recesses are introduced into a ceramic or organic-chemical base body (ceramic substrate or plastic substrate) using laser technology.
  • FIGS. 1 to 4 show various metallizations 1 on a ceramic substrate 4.
  • the reference numeral 2 are formed as traces metallizations and the reference numeral 3 electrical contacting points are designated.
  • FIG. 5 shows a three-dimensional ceramic substrate 4 with a metallization 1 which is embedded in the ceramic substrate 4 and does not protrude from the surface.
  • FIG. 6 shows two three-dimensional ceramic substrates 4a, 4b with embedded metallizations 1.
  • the metallizations can be introduced on both sides of a substrate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, insbesondere zur Verwendung als Platine. Damit neben den zweidimensionalen flachen und ebenen, d. h. plattenförmigen Substraten auch dreidimensionale, d. h. gekrümmte oder eckige Substrate auch tiefgründig metallisiert werden können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in das Substrat mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen eingegraben werden und anschließend in den Gräben und/oder Ausnehmungen die metallischen Strukturen erzeugt werden.

Description

Eingebettete metallische Strukturen in Substraten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit eingebetteten stromleitfahigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, insbesondere zur Verwendung als Platine und ein Substrat hergestellt mit diesem Verfahren.
Es sind eingebettete Leitungsstrukturen aus der Multichip-Modul-Technik bekannt. Dort werden in Dickfilmtechnik gedruckte metallische Strukturen (Leiterbahnen, elektrische Kontaktierungspunkte) in die noch nicht gehärteten Leiterplatten, wie Keramikfolien unter Druck und Temperatur einlaminiert. Dies ist jedoch nur bei ebenen, d.h. zweidimensionalen Platten möglich. Außerdem dürfen die Leiterbahnen nicht zu hoch (bzw. dick) sein (höchstens 10-20 μιτι), sonst können sie nicht mehr ganz eingedrückt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, dass neben den zweidimensionalen flachen und ebenen, d. h. plattenförmigen Substraten auch dreidimensionale, d. h. gekrümmte oder eckige Substrate bevorzugt auf mehreren Seiten auch tiefgründig metallisiert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen eingegraben werden und anschließend in den Gräben und/oder Ausnehmungen die metallischen Strukturen erzeugt werden.
Hierdurch kann man zweidimensionale flache und ebene aber besonders auch dreidimensionale, d. h. gekrümmte Körper oder eckige Körper auf mehreren Seiten auch tiefgründig metallisieren. Diese Körper sind zum Beispiel Keramiksubstrate auf denen Metallisierungsbereiche aufgebracht werden, die als Platinen verwendet werden. Sinnvoll ist dies unter anderem dann, wenn Chips oder ganze Sekundärschaltkreise z. B. aus Polyimid platziert werden sollen. Bevorzugt weist daher das Substrat eine von der ebenen Platte abweichende, d. h. dreidimensional gekrümmte oder eckige Geometrie auf. Durch die Verwendung eines Lasers ist dies möglich. Es sind hierdurch dreidimensionale komplexe Geometrien möglich. In bevorzugter Ausgestaltung ist das Substrat ein Keramiksubstrat oder ein Kunststoffsubstrat.
Bei einem Keramiksubstrat besteht dieses bevorzugt aus einer AIN-Keramik, wobei nach dem Eingraben in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem Laser durch Zersetzung AI erzeugt wird, das dann mit bekannten Verfahren wie stromlos Nickel, Gold oder Kupfer und deren Legierungen oder einer Mischung dieser weiter verstärkt wird.
Alternativ wird das Keramiksubstrat nach dem Eingraben in eine organische Metallsalzlösung, wie z.B. Silberacetat oder Kupferacetat getaucht und anschließend werden die Metallsalze in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem geeigneten Laser belichtet, wobei sich die Metallsalze zu Elementen umwandeln, die sich mit der Keramik haftfest verbinden. Bevorzugt werden den Metallsalzen ein Oxid oder glasbildende Additive wie Zinkacetat oder Silicone zugegeben.
In einer Ausführungform werden nach dem Eingraben die Gräben und/oder Ausnehmungen mit einer Dickfilmpaste aus einem Metall gefüllt und anschließend wird mit einem geeigneten Laser direkt in der Laserspur, d. h. in den Gräben und/oder Ausnehmungen gesintert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die nicht belichteten Stellen außerhalb der Gräben und/oder Ausnehmungen oder in Teilbereichen der Gräben und/oder Ausnehmungen abgewaschen oder abgeschliffen. ln einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Metallisierungen in den Gräben und/oder Ausnehmungen stromlos oder kathodisch verstärkt und/oder mit Deckmetallen überzogen.
Bevorzugt schließen die in den Gräben und/oder Ausnehmungen erzeugten Metallisierungen mit der Oberfläche der Substrate auf einer Ebene ab und ragen nicht aus dem Substrat hervor und sind damit stapelbar. Ein erfindungsgemäßes Substrat mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, hergestellt mit dem eben beschriebenen Verfahren, zeichnet sich dadurch aus, dass die metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen eine in Bezug auf die Oberfläche der Substrate gemessene vertikale Dicke von größer 30 μιτι, besonders bevorzugt größer 40 μιτι, ganz besonders bevorzugt größer 45 μιτι und in einem wichtigen Anwendungsfall sogar 50 μιτι auf.
Mit der nachfolgend beschriebenen Erfindung kann man zweidimensionale flache und ebene aber besonders auch dreidimensionale, d.h. gekrümmte Körper oder eckige Körper auf mehreren Seiten auch tiefgründig metallisieren. Diese Körper sind zum Beispiel Keramiksubstrate auf denen Metallisierungsbereiche aufgebracht werden, die als Platinen verwendet werden.
Sinnvoll ist dies unter anderem dann, wenn Chips oder ganze Sekundärschaltkreise aus Polyimid platziert werden sollen.
Die Erfindung beschreibt ein (bevorzugt dreidimensionales) Keramiksubstrat oder auch Kunststoffsubstrat mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, hergestellt aus einem keramischen oder organisch- chemischen Grundkörper, in den mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen für die metallischen Strukturen eingegraben werden. Anschließend wird die Metallisierung in den Gräben und/oder Ausnehmungen erzeugt. Unter dreidimensionalem Keramiksubstrat wird eine von einer ebenen Platte abweichende Geometrie verstanden.
Zur Metallisierung kann man beispielsweise bei einem Keramiksubstrat aus einer AIN-Keramik in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem Laser durch Zersetzung AI erzeugen, das dann mit bekannten Verfahren wie stromlos Nickel, Gold oder Kupfer und deren Legierungen oder einer Mischung dieser weiter verstärkt wird. Alternativ kann man das Keramiksubstrat bzw. den keramischen Körper mit den Gräben und/oder Ausnehmungen in eine organische Metallsalzlösung wie z.B. Silberacetat oder Kupferacetat tauchen, dann werden die Metallsalze in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem geeigneten Laser belichtet und die Metallsalze zu den Elementen umgewandelt, die sich mit der Keramik haftfest verbinden. Zur besseren Haftung können den Metallsalzen ein Oxid oder glasbildende Additive wie Zinkacetat oder Silicone zugegeben werden. Alternativ ist auch eine Metallisierung mit einer handelsüblichen Dickfilmpaste möglich, die man in die Gräben und/oder Ausnehmungen bzw. in das Layout füllt. Dann wird mit einem geeigneten Laser direkt in der Laserspur, d.h. in den Gräben und/oder Ausnehmungen gesintert. Eventuell überschüssige ungesinterte Partien kann man mit einem wässrigen Detergens mit Ultraschallunterstützung wieder entfernen.
Die nicht belichteten Stellen außerhalb der Gräben und/oder Ausnehmungen oder in Teilbereichen der Gräben und/oder Ausnehmungen können einfach abgewaschen werden oder auch abgeschliffen werden. Die Metallisierungen in den Gräben und/oder Ausnehmungen können anschließend stromlos oder kathodisch weiter verstärkt bzw. mit Deckmetallen überzogen werden.
Man erhält hierdurch Metallisierungen, die mit der Keramik auf einer Ebene abschliessen und dadurch für eine Kombination mit Schaltungschips oder flexiblen Schaltungen (z.B. auf/in Polyimid) gut geeignet sind. Solche lasererodierten und in Gräben und/oder Ausnehmungen leitfähig gemachte Keramiken könnten auch dazu dienen, besonders schnell Prototypen von metallisierten Schaltkreisen in/auf Keramik zu erzeugen. So könnte an einem Kopiergerät eine Layoutzeichnung gescannt werden und sogleich in Laserbefehle zur Steuerung des Lasers umgesetzt werden.
Die Erfindung schließt eine Lücke zwischen Dünnfilm- und Dickfilmmetallisierung. Starke Metallisierungen oder auch unterschiedlich stärkte Metallisierungen auf einem Bauteil mit grober und feiner Struktur sind nebeneinander möglich.
Beispiel 1 :
In ein gesintertes keramisches Substrat (Keramiksubstrat) aus AIN der Grösse 1 14*1 14 * 2 mm werden Gräben und/oder Ausnehmungen von 50 μιτι Tiefe gelasert. Beim Lasern entsteht aus der Zersetzung von AIN -> AI + 0,5 N2 durch Laserlicht eine dünne Schicht Aluminium. Diese Schicht Aluminium wird verstärkt, indem das gelaserte Keramiksubstrat für 30 min in ein chemisches Nickel Bad gebracht wird (Ni2+, meist als Sulfamat im Bad gelöst, wird durch Reduktionsmittel wie Natriumhypophosphit an einer „bekeimten" Oberfläche aus Pd, und später nach Abdeckung dieser Pd-Keime durch das schon abgeschiedene Nickel selber zum elementaren Ni reduziert. Die Bekeimung auf Wolfram beispielsweise erzeugt man durch Tauchen in eine Lösung von Pd2+, meist eine stark verdünnte Palladium(ll)- chloridlösung oder Ammoniumtetrachloropalladat(ll)-Lösung). Danach wird stromlos eine dünne Goldschicht von 0,1 μιτι stromlos aufgebracht. Das Ergebnis ist eine Keramik mit eingebetteten elektrisch leitenden Strukturen, wie Sie zum Beispiel als Träger für elektrische/elektronische Elemente verwendet werden. Die elektrisch leitenden Strukturen befinden sich bevorzugt komplett in der Keramik, d.h. ragen aus der Oberfläche der Keramik nicht hervor. Beispiel 2 ln ein gesintertes keramisches Substrat (Keramiksubstrat) aus AIN der Grösse 1 14*1 14 * 2 mm wird mit einem definierten Layout eine Struktur (Gräben und/oder Ausnehmungen) von 50 μιτι Tiefe mit einem Excimerlaser eingebracht. Die Keramik wird in eine Lösung aus 10% Silberacetat und 5% Polyvinylalkohol (zur Andickung) getaucht. Dann wird das Teil bei 70°C getrocknet. Mit einem Fineline-Laser wird in den zuvor eingebrachten Vertiefungen die Metallsalzschicht zum Metall Silber konvertiert, indem durch die eingebrachte Wärme das Acetat zersetzt wird. In 80°C heißem Dl-Wasser (entmineralisiertes Wasser) werden die nicht zersetzten Bereiche mit Silberacetat-Polyvinylalkohol wieder aufgelöst. Die Silberschicht kann kathodisch mit Gold verstärkt werden, bis man einen ebenen Abschluss von Gräben und Keramik hat.
Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Substrate ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet, die der Reihe nach auszuführen sind:
1 ) In einen keramischen oder organisch-chemischen Grundkörper (Keramiksubstrat oder auch Kunststoffsubstrat) werden mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen eingebracht.
2) Anschließend wird die Metallisierung in den Ausnehmungen eingebracht oder erzeugt.
3) Die Metallisierung in den Gräben und/oder Ausnehmungen bilden bevorzugt einen ebenen Abschluss mit der Oberfläche des Substrats, d.h. die Metallisierung ist im Substrat eingebettet. In den Figuren 1 bis 4 sind verschiedene Metallisierungen 1 auf einem Keramiksubstrat 4 gezeigt. Mit dem Bezugszeichen 2 sind als Leiterbahnen ausgebildete Metallisierungen und mit dem Bezugszeichen 3 sind elektrische Kontaktierungspunkte bezeichnet. Figur 5 zeigt ein dreidimensionales Keramiksubstrat 4 mit einer Metallisierung 1 , die im Keramiksubstrat 4 eingebettet ist und nicht aus der Oberfläche herausragt. Durch, dass die Metallisierung eingebettet ist, können auch mehrere Substrate, jede mit eingebetteten metallische Strukturen, übereinander gestapelt werden, ohne dass die Metallisierung von dem darüberliegenden Substrat geschädigt wird. Dies zeigt Figur 6. Es sind hier zwei Keramiksubstrate 4a, 4b als Platinen ausgebildet und zu einer Einheit zusammengesetzt. Auf jedem Keramiksubstrat sind Metallisierungen 1 eingebettet und ragen nicht aus der Oberfläche hervor. Die einzelnen Metallisierungen 1 bilden Leiterbahnen und elektrische Kontaktierungspunkte. In Figur 6 sind zwei dreidimensionale Keramiksubstrate 4a, 4b mit eingebetteten Metallisierungen 1 gezeigt.
Selbstverständlich können die Metallisierungen auf beiden Seite eines Substrats eingebracht werden.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen, insbesondere zur Verwendung als Platine, dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat mit Lasertechnik Gräben und/oder Ausnehmungen eingegraben werden und anschließend in den Gräben und/oder Ausnehmungen die metallischen Strukturen erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gkennzeichnet, dass das Substrat eine von der ebenen Platte abweichende, d. h. dreidimensional gekrümmte oder eckige
Geometrie aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Keramiksubstrat oder ein Kunststoffsubstrat ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat aus einer AIN-Keramik besteht und nach dem Eingraben in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem Laser durch Zersetzung AI erzeugt wird, das dann mit bekannten Verfahren wie stromlos Nickel, Gold oder Kupfer und deren Legierungen oder einer Mischung dieser weiter verstärkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksubstrat nach dem Eingraben in eine organische Metallsalzlösung, wie z.B. Silberacetat oder Kupferacetat getaucht wird und anschließend die Metallsalze in den Gräben und/oder Ausnehmungen mit einem geeigneten Laser belichtet werden, wobei sich die Metallsalze zu Elementen umwandeln, die sich mit der Keramik haftfest verbinden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Metallsalzen ein Oxid oder glasbildende Additive wie Zinkacetat oder Silicone zugegeben werden.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Eingraben die Gräben und/oder Ausnehmungen mit einer Dickfilmpaste aus einem Metall gefüllt werden und anschließend mit einem geeigneten Laser direkt in der Laserspur, d. h. in den Gräben und/oder Ausnehmungen gesintert wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht belichteten Stellen außerhalb der Gräben und/oder Ausnehmungen oder in Teilbereichen der Gräben und/oder Ausnehmungen abgewaschen oder abgeschliffen werden.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungen in den Gräben und/oder Ausnehmungen stromlos oder kathodisch verstärkt und/oder mit Deckmetallen überzogen werden.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Gräben und/oder Ausnehmungen erzeugten Metallisierungen mit der Oberfläche der Substrate auf einer Ebene abschließen und nicht aus dem Substrat hervorragen und damit stapelbar sind.
1 1 . Substrat mit eingebetteten stromleitfähigen metallischen Strukturen bzw.
Metallisierungen, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Strukturen bzw. Metallisierungen eine in Bezug auf die Oberfläche der Substrate gemessene vertikale Dicke von größer 30 μιτι aufweisen.
12. Substrat nach Anspruch 1 1 mit einer vertikalen Dicke größer 40 μιτι.
13. Substrat nach Anspruch 1 1 oder 12 mit einer vertikalen Dicke größer 45 μιτι, bevorzugt 50 μιτι.
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