WO2021185515A1

WO2021185515A1 - Verfahren zur feinstrukturierung von metallhaltigen schichten und keramisches vielschichtbauteil

Info

Publication number: WO2021185515A1
Application number: PCT/EP2021/053198
Authority: WO
Inventors: Benedek SZABOLCS
Original assignee: Tdk Electronics Ag
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2021-09-23
Also published as: DE102020107311A1; DE102020107311B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinstrukturierung von grobstrukturierten, pastösen, metallhaltigen Schichten (3), umfassend die folgenden Schritte: - Aufbringen einer metallhaltigen Schicht (3), die eine Grobstruktur aufweist und ein pastöses Material umfasst, auf eine Oberfläche. Die Hauptkomponenten des pastösen Materials sind ein oder mehrere Metalle und ein organisches Lösemittel. - Scannen der Lage und Fläche der metallhaltigen Schicht (3) und Generieren eines Datensatzes aus den erfassten Daten. - Auswerten des Datensatzes durch Vergleich mit vorgegebenen Werten. - Ermitteln kritischer Abschnitte der metallhaltigen (Schicht (3), die von den vorgegebenen Werten abweichen. - Zersetzen der kritischen Abschnitte per Laserbestrahlung in ein metallhaltiges Pulver, wobei die grobstrukturierte metallhaltige Schicht (3) in eine gewünschte feinstrukturierte Schicht (3) überführt wird.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Feinstrukturierung von metallhaltigen Schichten und keramisches Vielschichtbauteil

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinstrukturierung von grobstrukturierten, pastösen metallhaltigen Schichten. Die Erfindung betrifft weiterhin ein keramisches Vielschichtbauteil, welches fein strukturierte metallhaltige Schichten umfasst.

Eine Vielzahl elektronischer Bauteile umfasst

Keramikschichten mit darauf aufgebrachten und strukturierten metallhaltigen Schichten. Die metallhaltigen Schichten werden so strukturiert, dass sich Abschnitte integrierter elektronischer Elemente ergeben. Die Keramik- und metallhaltigen Schichten können zu Vielschichtbauteilen gestapelt werden. Hierbei ist auf eine passgenaue Stapelung zu achten, so dass zusammengehörige Abschnitte integrierter elektronischer Elemente übereinander liegen. Diese können dann durch Vias in den Keramikschichten verbunden werden.

Daneben können die elektronischen Bauteile weitere technische Anordnungen wie beispielsweise Antennen umfassen, die von den metallhaltigen Schichten isoliert sind. Um kapazitive und/oder induktive Wechselwirkungen zwischen stromführenden metallhaltigen Schichten und weiteren technischen Anordnungen zu vermeiden, darf der Abstand zwischen diesen einen geforderten Mindestabstand nicht unterschreiten.

Weiterhin sollte beispielsweise der Abstand einer Antenne zur strukturierten metallhaltigen Schicht nicht variieren, um Störsignale und eine Beeinflussung der Impedanz in der Antenne zu vermeiden. Dies gilt innerhalb einer metallhaltigen Schicht, aber insbesondere auch, wenn sich die Antenne über mehrere metallhaltige Schichten erstreckt.

Um die erforderliche Genauigkeit bei der Strukturierung der aufgebrachten metallhaltigen Schichten einzuhalten, ist die Abmessung solcher Schichten und die Stapelhöhe eines elektronischen Bauteils und die Größe der integrierten elektronischen Elemente im Falle bisher üblicher Fertigungsverfahren beschränkt.

Ein industrieller Prozess zum Aufbringen einer metallhaltigen Schicht auf eine Keramikschicht ist das Siebdruckverfahren.

Mit einem solchen Verfahren lassen sich Abschnitte integrierter elektronischer Elemente mit einer Breite von weniger als 50 gm nicht in Serie hersteilen. Die Anzahl der möglichen elektronischen Elemente auf einer Keramikschicht einer bestimmten Abmessung ist somit begrenzt.

Andererseits können die Abschnitte der integrierten elektronischen Elemente nur mit einer begrenzten Genauigkeit auf eine Keramikschicht aufgebracht werden.

Positionsungenauigkeiten von bis zu +/-30 gm können in der seriellen Produktion bisher nicht vermieden werden. Dies kann einerseits zu Lagenversatz innerhalb solcher integrierter elektronischer Elemente führen, die sich über mehrere gestapelte metallhaltige und Keramikschichten erstrecken.

Dies kann unerwünschte elektrische Verluste mit sich bringen. Andererseits kann dies zu unterschiedlichen Abständen zwischen den integrierten elektronischen Elementen und weiteren technischen Anordnungen wie Antennen führen, was unerwünschte elektrische Verluste und Störsignale nach sich zieht.

Aufgrund dieser begrenzten Genauigkeit können mit den üblichen Verfahren nur metallhaltige Schichten bis zu einer bestimmten maximalen Abmessung gefertigt werden. Wird diese maximale Abmessung überschritten, wird der Einfluss von Positionsungenauigkeiten der integrierten elektrischen Elemente zu groß.

Die genannten Punkte stehen den zunehmend höheren Leistungsanforderungen an solche elektronischen Bauteile entgegen. Bisherige Lösungsansätze konzentrieren sich auf die Verwendung neuer Materialien und Druckprozesse. Dies ist jedoch mit Nachteilen bei der Verarbeitung wie beispielsweise einer begrenzten Anzahl an Lagen bei der Stapelung verbunden. Weiterhin können diese Bauteile die Funktion der keramischen Vielschichtbauteile nicht äquivalent ersetzen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Weg zu finden, die Strukturierung von metallhaltigen Schichten insbesondere bezüglich Strukturgenauigkeit weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird zumindest teilweise durch das in Anspruch 1 offenbarte Verfahren gelöst.

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Feinstrukturierung von grobstrukturierten, pastösen metallhaltigen Schichten. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte : - Aufbringen einer metallhaltigen Schicht, die eine Grobstruktur aufweist und ein pastöses Material umfasst, auf eine Oberfläche. Die Hauptkomponenten des pastösen Materials sind ein oder mehrere Metalle und ein organisches Lösemittel.

Die grobstrukturierte und pastöse metallhaltige Schicht kann bereits eine definierte Struktur aufweisen. Die metallhaltige Schicht kann eine zusammenhängende Fläche auf der Oberfläche bilden oder mehrere flächige Abschnitte, die innerhalb derselben Ebene liegen und dieselbe Höhe aufweisen, aber miteinander nicht in Verbindung stehen, umfassen. Die einzelnen flächigen Abschnitte weisen in einer Ausführungsform eine Länge und eine Breite von jeweils mindestens 50 pm auf.

Die metallhaltige Schicht umfasst ein pastöses Material, das als Hauptkomponente ein oder mehrere Metalle und ein organisches Lösemittel enthält. Daneben kann die metallhaltige Schicht ein Kunststoffpulver enthalten.

Die Metalle liegen pulverförmig in Form von Metallkörnern, die chemisch oder physikalisch verbunden sein können, vor.

Mögliche Metalle sind beispielsweise Kupfer oder Silber. Für Anwendungen bei hohen Temperaturen kann alternativ beispielsweise Osram verwendet werden. Der Anteil der Metallkörner in der pastösen metallhaltigen Schicht kann mehr als 70 % des Volumens der Schicht betragen. In einer Ausführungsform kann der Anteil der Metallkörner mehr als 83 % des Volumens betragen.

Neben dem metallhaltigen, pulvertörmigen Feststoff enthält die metallhaltige Schicht ein organisches Lösemittel, welches der metallhaltigen Schicht die pastöse Eigenschaft verleiht. Daneben kann die metallhaltige Schicht ein Kunststoffpulver enthalten. Der Anteil des organischen Lösemittels und des Kunststoffpulvers in der pastösen metallhaltigen Schicht kann zusammengenommen 10 % bis 30 % des Volumens der Schicht betragen .

Das organische Lösemittel kann chemische oder physikalische Bindungen zu den Metallkörnern bilden. Mit Art und Viskosität des Lösemittels lässt sich die Verarbeitbarkeit einer aufzubringenden bzw. bereits aufgebrachten Paste einstellen.

- Scannen der Lage und Fläche der metallhaltigen Schicht und Generieren eines Datensatzes aus den erfassten Daten.

Die Lage und Fläche aller Abschnitte der metallhaltigen Schicht kann durch einen dafür geeigneten Scanner optisch erfasst werden und in einem Datensatz gespeichert werden. Hierfür kann beispielsweise ein Scanner eingesetzt werden, der die gesamte mit pastösem, metallhaltigem Material bedeckte Oberfläche optisch abtastet.

- Auswerten des Datensatzes durch Vergleich mit vorgegebenen Werten.

Aus dem durch Scannen erhaltenen Datensatz kann die Position und Fläche eines jeden Abschnitts der metallhaltigen Schicht ermittelt und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden. Hinsichtlich der Position kann hierfür beispielsweise ein lokales oder ein globales Koordinatensystem definiert werden. Ein globales Koordinatensystem weist jedem Punkt auf der Oberfläche eine Koordinate zu. Ein lokales Koordinatensystem beschreibt eine Position in Bezug zu einem ausgewählten Fixpunkt innerhalb der Oberfläche wie zum Beispiel einer fixierten technischen Anordnung. Eine solche Anordnung kann beispielsweise eine Antenne sein.

- Ermitteln kritischer Abschnitte der metallhaltigen Schicht, die von den vorgegebenen Werten abweichen.

Stimmen Position und Fläche eines Abschnitts der metallhaltigen Schichten nicht mit den vorgegebenen Sollwerten überein, wird dieser als kritisch bezeichnet. Im vorliegenden Verfahren werden nur solche kritischen Abschnitte berücksichtigt, die in Form und Fläche die vorgegebenen Abmessungen überschreiten.

Ist die Abmessung einer Fläche zu gering, kann dies mit dem vorliegenden Verfahren nicht korrigiert werden. Um zu geringe Abmessungen zu vermeiden, kann beim Aufträgen der metallhaltigen Schicht bevorzugt mit Abmessungen, die die Sollwerte leicht überschreiten gearbeitet werden. Die genaue Abmessung kann dann im Laufe des Verfahrens angepasst werden.

Wird die Position und/oder Fläche eines Abschnitts durch Vergleich mit den Sollwerten als kritisch eingestuft, wird dieser Abschnitt als kritisch erfasst und dessen Position und Fläche in einem kritischen Datensatz gespeichert.

- Zersetzen der kritischen Abschnitte per Laserbestrahlung in ein metallhaltiges Pulver, wobei die grobstrukturierte metallhaltige Schicht in eine gewünschte feinstrukturierte Schicht überführt wird.

Die Fläche und Position der kritischen Abschnitte der metallhaltigen Schicht sind im kritischen Datensatz gespeichert. Ein Laser wird entsprechend dieses kritischen Datensatzes ausgerichtet und so über die metallhaltige Schicht bewegt, dass er auf einen der kritischen Abschnitte gerichtet ist und diesen bestrahlt. Durch die Bestrahlung mit Laser wird die pastöse metallhaltige Schicht innerhalb des kritischen Abschnitts in ein metallhaltiges Pulver zersetzt. Grund hierfür ist das Aufwärmen der metallhaltigen Schicht bei andauernder Bestrahlung. Dies führt zur Verflüchtigung des organischen Lösemittels und zum Aufbrechen der Bindungen zwischen den einzelnen Körnern der pastösen metallhaltigen Schicht .

Die pastöse Eigenschaft der metallhaltigen Schicht nimmt somit ab und die metallhaltige Schicht zersetzt sich zu einem metallhaltigen Pulver. Im metallhaltigen Pulver bilden die einzelnen Metallkörner und Nicht-Metallkörner wie beispielsweise Kunststoffkörner kaum Bindungen untereinander aus. Ist die metallhaltige Schicht eines kritischen Abschnitts zersetzt, kann der Laser weiterbewegt und der nächste kritische Abschnitt bestrahlt werden.

Zur Beschleunigung des Verfahrens können in einer

Ausführungsform mehrere Laser zeitgleich eingesetzt werden.

Das Verfahren ermöglicht die Anpassung von Form und Fläche der Abschnitte der metallhaltigen Schicht an vorgegebene Sollwerte .

So können die Abmessungen der einzelnen Abschnitte der metallhaltigen Schicht verringert werden und die Schicht in eine feinstrukturierte metallhaltige Schicht überführt werden. In einer Ausführungsform kann die Abmessung eines einzelnen Abschnitts der metallhaltigen Schicht auf weniger als 30 mpiverringert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Abmessung eines einzelnen Abschnitts auf weniger als 20 gm verringert werden. Somit ermöglicht das offenbarte Verfahren ein erhöhtes Maß an Feinstrukturierung der metallhaltigen Schicht.

Weiterhin können mittels dieses Verfahrens Positions ungenauigkeiten der Abschnitte der metallhaltigen Schicht korrigiert werden. Ist der Abstand zwischen zwei stromführenden Abschnitten der metallhaltigen Schicht zu gering, kann es zu kapazitiven und/oder induktiven Wechselwirkungen kommen, die beide von der Entfernung der Abschnitte abhängig sind. Darüber hinaus kann die Funktionssicherheit durch mögliche elektrische Überschläge oder Kurzschlüsse gefährdet sein.

Dasselbe gilt für einen geringen Abstand eines stromführenden Abschnitts der metallhaltigen Schicht zu einer technischen Anordnung wie beispielsweise einer Antenne. Bei zu geringem Abstand können Störsignale in der Antenne auftreten.

Beispielsweise ist es wünschenswert das der Abstand zwischen einer integrierten Antenne und der metallhaltigen Schicht in jeder Richtung gleich groß und größer als ein definierter Mindestabstand ist.

Durch Zersetzen eines kritischen Abschnitts kann der jeweilige Abstand zwischen den einzelnen Abschnitten einer metallhaltigen Schicht bzw. der Abstand zu weiteren technischen Anordnungen vergrößert werden. Somit ermöglicht das offenbarte Verfahren ein erhöhtes Maß an Genauigkeit bei der Feinstrukturierung der metallhaltigen Schicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die metallhaltige Schicht auf die Oberfläche einer Keramikschicht aufgebracht.

Die Keramikschicht kann eine Keramik umfassen, deren Hauptbestandteil beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid sein kann. Die Keramikschicht kann quaderförmig ausgeführt sein und eine definierte Höhe sowie eine definierte Grundfläche aufweisen. Die Grundfläche kann eine quadratische Form einer bestimmten Abmessung haben. Eine übliche Abmessung für eine Seitenlänge der Grundfläche der Keramikschicht kann mehr als 5 cm und weniger als 30 cm betragen. Bevorzugt kann eine Abmessung für eine Seitenlänge mehr als 10 cm und weniger als 25 cm betragen. Noch bevorzugte beträgt die Abmessung für eine Seitenlänge ca. 10 cm.

Die Höhe der Keramikschicht im gesinterten Zustand kann in einer Ausführungsform zwischen 10 gm und 1 mm betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Höhe der Keramikschicht zwischen 20 gm und 200 pm betragen. Im nicht gesinterten Zustand beträgt die Höhe der Keramikschicht in etwa das Doppelte.

Wird ein Abschnitt der Keramikoberfläche während des Verfahrens mit einem Laser bestrahlt, verändert sich die Struktur der Keramik, anders als die der metallhaltigen Schicht, nicht. Grund hierfür kann beispielsweise eine hohe Strahlungsdurchlässigkeit, wie sie beispielsweise Glaskeramiken aufweisen, oder eine gute Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht sein.

In einer Ausführungsform kann die metallhaltige Schicht auf die Oberfläche aufgedruckt sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die metallhaltige Schicht per Siebdruck auf die Oberfläche der Keramikschicht gedruckt .

Beim Siebdruck wird ein Metall- oder Kunststoffsieb als Schablone verwendet, indem ausgewählte Maschen des Siebs mit Folie oder Lack abgedichtet werden. Anschließend wird Druckfarbe durch die offenen Maschen des Siebs auf eine zuvor gleichmäßig auf die Keramikschicht aufgetragene metallhaltige Schicht gedruckt. Die Druckfarbe schützt die bedruckten Abschnitte im nachfolgenden Ätzprozess, so dass die bedruckten Abschnitte der metallhaltigen Schicht nach dem Ätzen erhalten bleiben. Somit können parallel eine Vielzahl von verschiedenen metallhaltigen Strukturen auf der Oberfläche der Keramikschicht erzeugt werden.

In einer Ausführungsform umfasst die Keramikschicht eine Grünfolie. Das bedeutet, dass die Keramikschicht in ungesintertem Zustand vorliegt.

Dies ist insoweit sinnvoll, da nach dem Aufbringen der pastösen, metallhaltigen Schicht ein Sinterschritt zur Härtung der metallhaltigen Schicht durchgeführt werden kann. Somit können Keramikschicht und metallhaltige Schicht in einem Schritt gesintert werden. In einer Ausführungsform wird die Keramikschicht umfassend die darauf aufgebrachte metallhaltige Schicht nach erfolgter Feinstrukturierung gesintert. Während des Sinterns werden die Keramik und das Metall auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und gehalten, so dass sich eine gewünschte Struktur in der Keramik bzw. im Metall einstellt.

Die Struktur des Materials beeinflusst Eigenschaften wie die Härte und die Beständigkeit des Materials. Während des Sintervorganges verflüchtigt sich das organische Lösemittel innerhalb der pastösen metallhaltigen Schicht. Die pastöse Eigenschaft der metallhaltigen Schicht nimmt somit ab und es bildet sich eine feste, gehärtete metallhaltige Schicht.

In einer Ausführungsform werden mehrere Keramikschichten mit jeweils aufgebrachten metallhaltigen Schichten nach erfolgter Feinstrukturierung und vor dem Sintern zu einem keramischen Vielschichtbauteil gestapelt. Durch den anschließenden Sintervorgang verfestigt sich das Bauteil und sintert zusammen .

In einer Ausführungsform umfasst die metallhaltige Schicht Abschnitte integrierter elektronischer Elemente. Die integrierten elektronischen Elemente sind elektronische Bauelemente, die von definierten Abschnitten einer oder mehrerer metallhaltiger Schichten gebildet werden.

Ein einzelner Abschnitt der metallhaltigen Schicht kann ein integriertes elektronisches Element sein. Andererseits kann ein integriertes elektronisches Element mehrere Abschnitte der metallhaltigen Schicht oder mehrerer metallhaltige Schichten umfassen. Abschnitte, die in verschiedenen metallhaltigen Schichten liegen, aber zusammen ein integriertes elektronisches Element bilden, können durch Vias, also elektrische

Durchkontaktierungen, verbunden werden. Die Vias sind in den zwischen den metallhaltigen Schichten angeordneten Keramikschichten enthalten.

Ein integriertes elektronisches Element kann beispielsweise eine Leiterbahn, ein Widerstand, eine Spule, ein Kondensator oder eine elektronische Kopplung sein.

Um integrierte elektronische Elemente, die Abschnitte mehrerer metallhaltige Schichten umfassen, zu erzeugen, werden mehrere Keramikschichten, mit darauf aufgebrachten metallhaltigen Schichten, gestapelt. Hierfür können die zusammengehörigen Abschnitte über zugehörige Vias in den Keramikschichten dazwischenliegenden Keramikschichten kontaktiert werden. Die zusammengehörigen Abschnitte in den verschiedenen metallhaltigen Schichten und die zugehörigen Vias in den Keramikschichten können übereinander liegen. Bevorzugt liegen Kontaktstellen der Abschnitte passgenau über zugehörigen Vias. So können ungewollte elektrische Verluste minimiert werden.

Das offenbarte Verfahren ermöglicht ein höheres Maß an Genauigkeit der Feinstrukturierung der metallhaltigen Schichten als Verfahren des Stands der Technik. Somit ermöglicht das Verfahren die Bildung von schichtübergreifenden integrierten elektronischen Elementen, zwischen deren einzelnen Abschnitten eine geschlossene Kontaktierung besteht, so dass unerwünschte elektrische Verluste minimiert sind. Die genaue Anordnung der einzelnen Abschnitte der integrierten elektronischen Elemente minimiert weiterhin den Versatz von zusammengehörigen Abschnitten derselben integrierten elektronischen Elemente in verschiedenen Schichten wie z.B. mehrerer Windungen einer Spule. Der geringe Lagenversatz ermöglicht das Stapeln einer hohen Anzahl an Schichten.

Um effizient mehrere Bauteile gleichzeitig herzustellen, können im Herstellungsprozess Keramikschichten entsprechend großer Abmessungen verwendet werden, auf die Abschnitte integrierter elektronischer Elemente mehrerer Bauteile aufgebracht werden können. Mehrere solcher Keramikschichten können anschließend gestapelt werden. Das entstandene Vielschichtsubstrat kann dann in einzelne Vielschichtbauteile kleinerer Abmessung vereinzelt werden. Die Vereinzelung kann z.B. mittels Sägen durchgeführt werden.

Die Anzahl der möglichen Vielschichtbauteile, die ein Vielschichtsubstrat umfasst, hängt einerseits von der Feinstrukturierung der integrierten elektronischen Elemente ab. Diese kann durch das beschriebene Verfahren verbessert werden.

Andererseits hängt die Anzahl der Vielschichtbauteile von der Abmessung des Vielschichtsubstrats ab. Mit der Verwendung größerer Keramikschichten nehmen die Positionsungenauigkeiten der Abschnitte der integrierten elektronischen Elemente auf diesen zu. Das beschriebene Verfahren erlaubt ein Minimieren dieser Positionsungenauigkeiten und somit die Fertigung vergleichsweise größerer Keramikschichten. In einer Ausführungsform erfolgen das Scannen der metallhaltigen Schicht und das Auswerten des beim Scannen erhaltenen Datensatzes automatisch durch ein automatisches optisches Inspektionssystem (AOI-System).

Durch die Nutzung eines AOI-Systems können der Scanvorgang und der Auswertevorgang automatisiert und beschleunigt werden. Kritische Abschnitte der metallhaltigen Schicht können effektiver, schneller und genauer registriert werden. Dies ermöglicht auch einen genaueren und effektiveren Einsatz des Lasers zur Bestrahlung und Zersetzung der kritischen Abschnitte der metallhaltigen Schicht.

In einer Ausführungsform wird das durch die Laserbestrahlung freigesetzte metallhaltige Pulver durch Absaugen von der Oberfläche der Keramikschicht entfernt. Das metallhaltige Pulver wird während der Zersetzung der metallhaltigen Schicht durch Laserbestrahlung gebildet. Das Pulver besteht aus einer lockeren Ansammlung einzelner Metallkörner, die untereinander kaum Bindungen eingehen. Weiterhin kann das Pulver Kunststoffkörner umfassen. Das Absaugen kann beispielsweise mithilfe einer Vakuumpumpe erfolgen.

In einer Ausführungsform enthält die metallhaltige Schicht als Nebenkomponente ein nicht-metallhaltiges Material wie beispielsweise ein keramisches Material. Das nicht metallhaltige Material liegt in Form von Körnern vor. Ein Korn kann sowohl metallhaltiges wie auch nicht-metallhaltiges Material enthalten. Beispiele für nicht-metallhaltige Materialien, können Keramiken oder Glaskeramiken und Kunststoffe sein. Wird die pastöse metallhaltige Schicht mit Laser bestrahlt, erhitzt sich das Metall. Der Temperaturanstieg führt zur Verflüchtigung des organischen Lösemittels und zum Aufbrechen der Bindungen zwischen den Körnern. Die pastöse Eigenschaft der metallhaltigen Schicht nimmt somit ab und die metallhaltige Schicht zersetzt sich zu einem metallhaltigen Pulver. Im metallhaltigen Pulver bilden die einzelnen metallhaltigen und nicht-metallhaltigen Körner kaum Bindungen untereinander aus.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein keramisches Vielschichtbauteil. Das Vielschichtbauteil kann beispielsweise nach dem beschriebenen Verfahren gefertigt sein. Das Vielschichtbauteil umfasst mehrere Keramikschichten und jeweils dazwischen angeordnete feinstrukturierte, metallhaltige Schichten. Die Keramikschichten umfassen Vias, die der elektrischen Durchkontaktierung dienen. Die metallhaltigen Schichten umfassen Abschnitte integrierter elektronischer Elemente wie Spulen, Kopplungen, Kondensatoren oder Leiterbahnen.

Die Keramikschichten und die metallhaltigen Schichten sind so übereinander gestapelt, dass integrierte elektronische Elemente, die sich über mehrere Schichten erstrecken, gebildet werden. Kontaktflächen zusammengehöriger Abschnitte integrierter elektronischer Elemente in verschiedenen metallhaltigen Schichten sind dabei passgenau über ein zugehöriges Via elektrisch verbunden.

Handelt es sich bei einem integrierten elektronischen Element um eine Spule, kann beispielsweise jede metallhaltige Schicht eine halbe Windung der Spule umfassen. Zwei übereinanderliegende metallhaltige Schichten umfassen dann eine ganze Windung der Spule. Jeder Abschnitt der Spule weist an beiden Enden Kontaktflächen auf. Die Kontaktflächen können mit Hilfe des offenbarten Verfahrens passgenau auf die Vias aufgebracht werden. Die einzelnen Abschnitte der Spule, die in verschiedenen Ebenen und somit in verschiedenen metallhaltigen Schichten liegen, können somit durch Vias in den dazwischenliegenden Keramikschichten verbunden sein.

Der Mindestabstand zwischen zwei integrierten elektronischen Elementen in derselben metallhaltigen Schicht beträgt weniger als 30 pm.

Somit können mehr integrierte elektronische Elemente auf der Oberfläche einer Keramikschicht aufgebracht werden als bislang im Stand der Technik. Der geringere Mindestabstand zwischen den integrierten elektronischen Elementen wird durch das offenbarte Verfahren möglich.

Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Figuren näher erläutert werden. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt. Gleiche oder ähnliche Elemente in den Figuren werden dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt im Querschnitt ein keramisches

Vielschichtbauteil, umfassend Keramikschichten, metallhaltige Schichten und integrierte elektronische Elemente.

Figur 2 zeigt in der Draufsicht eine beispielhafte Keramikschicht mit aufgebrachter, grobstrukturierter metallhaltiger Schicht. Figur 3 zeigt in der Draufsicht die beispielhafte Keramikschicht mit aufgebrachter, feinstrukturierter metallhaltiger Schicht.

Figur 4 zeigt in der Draufsicht drei metallhaltige Schichten einer Ausführungsform eines Vielschichtbauteils mit integrierten elektronischen Elementen.

Figur 5 zeigt in der Draufsicht eine Ausführungsform einer Keramikschicht mit aufgebrachter, feinstrukturierter metallhaltiger Schicht.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines keramischen Vielschichtbauteils 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Vielschichtbauteil 1 hat eine Unterseite 1A und eine Oberseite 1B. Das Vielschichtbauteil 1 umfasst acht Keramikschichten 2. Auf sieben dieser Keramikschichten 2 ist eine metallhaltige Schicht 3 aufgebracht. So liegt zwischen immer jeweils zwei Keramikschichten 2 eine metallhaltige Schicht 3. An Unterseite 1A und Oberseite 1B liegt jeweils eine Keramikschicht 2 vor.

Das Vielschichtbauteil 1 wurde aus einem Vielschichtsubstrat vereinzelt. Die Vereinzelung wurde mittels Sägen vorgenommen. Das Vielschichtsubstrat kann eine Vielzahl von Vielschichtbauteilen 1 von gleicher Abmessung und Beschaffenheit umfassen. Die Abmessungen einer Oberfläche einer Keramikschicht im Vielschichtsubstrat betragen zwischen 20 cm und 25 cm in Länge und Breite. Die Höhe einer Keramikschicht beträgt im ungesinterten Zustand ca. 50 pm und nach dem Sintern ca. 25 pm. Die metallhaltigen Schichten 3 umfassen integrierte elektronische Elemente 4. In Figur 1 sind verschiedene Beispiele integrierter elektronischer Elemente 4 gezeigt. Um unerwünschte kapazitive und/oder induktive Wechselwirkungen zu vermeiden, wird ein Mindestabstand zwischen den einzelnen integrierten elektronischen Elementen 4 eingehalten.

Ein Beispiel eines integrierten elektronischen Elements 4 ist die Spule 4A, die sich mit insgesamt 1,5 Windungen von der zweituntersten bis zur viertuntersten metallhaltigen Schicht des Vielschichtbauteils 1 erstreckt. Jede dieser Schichten umfasst einen Abschnitt der Spule 4A, welcher einer halben Windung entspricht. Zwischen den drei Abschnitten der Spule 4A liegen Keramikschichten 2 vor. Die jeweiligen Enden der Abschnitte der Spule 4A weisen Kontaktstellen 5 auf. Die jeweils korrespondierenden Kontaktstellen 5 sind durch die Keramikschicht 2 hindurch per Vias 6 elektrisch kontaktiert.

Weiterhin weist das Vielschichtbauteil 1 in der zweituntersten metallhaltigen Schicht 3 zwei Leiterbahnen 4B auf. Die Leiterbahnen sind in einem Abstand von 30 pm auf der untersten Keramikschicht 2 aufgebracht.

Daneben umfasst das Vielschichtbauteil 1 weitere technische Anordnungen, wie eine Antenne 7. Um Störsignale zu vermeiden wird ein Mindestabstand zwischen den integrierten elektronischen Elementen 4 und der Antenne 7 eingehalten.

Figur 2 zeigt in einer Draufsicht eine beispielhafte Keramikschicht 2 eines Vielschichtbauteils 1, auf die eine pastöse und grobstrukturierte metallhaltige Schicht 3 aufgebracht ist. Die Keramikschicht 2 umfasst z.B. Aluminiumoxid. Die metallhaltige Schicht 3 umfasst ein pastöses Material. Der Hauptbestandteil dieses pastösen Materials sind hier Silberkörner. Darüber hinaus umfasst das pastöse Material ein Lösungsmittel und gegebenenfalls ein organisches Bindemittel.

Die metallhaltige Schicht 3 umfasst verschiedene integrierte elektronische Elemente 4. Eines dieser integrierten elektronischen Elemente 4 ist die Spule 4A. Die beispielhafte metallhaltige Schicht umfasst einen ersten Abschnitt der Spule 4A, der dreiviertel Windungen entspricht. Am Ende des Abschnitts der Spule befindet sich eine Kontaktstelle 5. Hier ist die Spule 4A mit einem Via 6 kontaktiert. Die Spule 4A ist mittels einer Leiterbahn 4B mit einer kompakten metallhaltigen Schicht 4C verbunden.

In der Keramikschicht 2 sind hier sechs Antennen 7 integriert. Die Antennen 7A und 7B liegen innerhalb der kompakten Schicht 4C. Eine Antenne kann beispielsweise in der vorliegenden Ausführungsform durch mehrere koaxial übereinander angeordnete metallhaltige Vias gebildet werden. Die koaxial übereinander angeordneten Vias ergeben eine Antenne die sich lückenlos über mehrere übereinander angeordnete Keramikschichten 2 und metallhaltige Schichten 3 erstreckt. Eine Antenne kann sich über alle Schichten eines Vielschichtbauelements 1 und darüber hinaus erstrecken.

Der erforderliche Mindestabstand zwischen diesen Antennen 7A und 7B und der kompakten metallhaltigen Schicht 4C kann eingehalten werden.

Die metallhaltige Schicht 3 ist per Siebdruck auf die Keramikschicht 2 aufgetragen. Aufgrund der Unzulänglichkeiten des Druckverfahrens sind Abschnitte der metallhaltigen Schicht 3 teilweise ungenau auf der Keramikschicht 2 aufgebracht. Diese Abschnitte, deren Abmessungen in Fläche und Position von den Sollwerten abweichen, werden als kritische Abschnitte bezeichnet.

So sind hier beispielsweise wie dargestellt die erforderlichen Mindestabstände zwischen der metallhaltigen Schicht 3 und den Antennen 7A nicht eingehalten. Dies kann bei Stromfluss in der metallhaltigen Schicht 3 beispielsweise zu Störsignalen und Beeinflussung der Impedanz in den Antennen 7A führen.

Weiterhin kann die Leiterbahn 4B nicht so schmal wie gewünscht gedruckt werden. Die Abmessung einer Leiterbahnen, die per Siebdruck aufgebracht wird, ist auf eine Mindestbreite von ca. 50 pm limitiert.

Auch deckt sich die Kontaktstelle 5 der Spule 4A nicht passgenau mit dem Via 6. Grund hierfür ist wiederum die unzureichende Genauigkeit des Siebdruckverfahrens. Durch diese Positionsungenauigkeit der Kontaktstelle 5 können unerwünschte elektrische Verluste verursacht werden.

Figur 3 zeigt die beispielhafte Keramikschicht 2 aus Figur 2 mit aufgebrachter metallhaltiger Schicht 3, nachdem die metallhaltige Schicht 3 per Laserbestrahlung feinstrukturiert wurde.

Hierzu wurde die grobstrukturierte metallhaltige Fläche 3 von einem AOI-System gescannt und die zuvor beschriebenen kritischen Abschnitte, deren Abmessungen und Positionen von den Sollwerten abweichen, in einen entsprechenden Datensatz gespeichert . Anschließend werden die kritischen Abschnitte mit einem Laser bestrahlt, so dass sich die kritischen Abschnitte erwärmen. Hierfür wird ein Laser mit einer passenden Wellenlänge und Leistung gewählt. Beispielsweise wird ein Laser mit einer Wellenlänge zwischen 900 nm und 1100 nm und einer Leistung zwischen 4 W und 6 W gewählt. Der Spotdurchmesser des Lasers beträgt bevorzugt weniger als 30 gm.

Durch die Bestrahlung des Lasers erwärmt sich das pastöse Material der metallhaltigen Schicht 3. Dies führt zur Verflüchtigung des organischen Lösemittels. Weiterhin lösen sich die physikalischen oder chemischen Bindungen zwischen den einzelnen Silberkörnern. Das pastöse Material zersetzt sich somit zu einem Silberpulver.

Das Silberpulver kann anschließend von der Keramikoberfläche 2 abgesaugt werden.

Somit wird die in Figur 3 abgebildete Feinstruktur erhalten.

In dieser ist durch die Abtragung der jeweiligen kritischen Abschnitte der kompakten Fläche 4C der Mindestabstand zwischen den Antennen 7A und der kompakten Fläche 4C nun eingehalten. Dies führt zu einer Abnahme von elektrischen Wechselwirkungen und daraus resultierenden Störsignalen.

Die Leiterbahn 4B ist mittels Laserbestrahlung auf eine Breite von beispielsweise 30 gm geschrumpft worden. Schmalere Abmessungen erlauben eine höhere Zahl an Leiterbahnen auf einer Keramikoberfläche derselben Größe. Somit kann die Leistungsfähigkeit eines aus solchen Keramikschichten 2 aufgebauten Vielschichtbauteils 1 gesteigert werden. Die Kontaktstelle 5 ist mittels Laserbestrahlung präzisiert worden. Die Kontaktstelle überlappt nun nahezu passgenau mit dem Via 6. Dies führt zu einer Reduzierung der ungewollten elektrischen Verluste.

Aus mehreren Keramikschichten 2 mit aufgedruckten metallhaltigen Schichten 3 kann nach erfolgter und beschriebener Feinstrukturierung ein Vielschichtbauteil gestapelt werden. Das Stapeln wird so ausgeführt, dass Kontaktstellen 5 von Abschnitten jeweils zusammengehöriger integrierter elektronischer Elemente 4 möglichst passgenau über zugehörigen Vias 6 positioniert sind, um elektrische Verluste zu vermeiden. Ein Via 6 kontaktiert jeweils zwei Kontaktstellen 5 zusammengehöriger Abschnitte eines integrierten elektronischen Elements 4 durch eine Keramikschicht 2 hindurch.

Figur 4 zeigt schematisch ein Vielschichtbauteil 1 einer Ausführungsform in einer Draufsicht. Im dargestellten Beispiel sind drei Keramikschichten 2, die jeweils mit metallhaltigen Schichten 3A, 3B bzw. 3C bedruckt sind, übereinandergestapelt . Es ist nur die der untersten metallhaltigen Schicht 3C zu Grunde liegende Keramikschicht 2 dargestellt. Die darüber liegenden Keramikschichten 2 wurden aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit vernachlässigt.

Die metallhaltigen Schichten 3A bis 3C des dargestellten Vielschichtbauteils 1 wurden mittels Siebdruckverfahren auf die jeweilige Keramikschicht 2 aufgebracht.

Das dargestellte Vielschichtbauteil 1 enthält verschiedene integrierte elektronische Elemente, wie beispielsweise eine Spule 4A und Durchkontaktierungen 4D, die Abschnitte in mehreren metallhaltigen Schichten 3 umfassen. In Figur 4 sind beispielhaft drei metallhaltige Schichten 3A, 3B und 3C, die übereinander liegen, dargestellt.

Aufgrund der Positionsungenauigkeiten des Siebdruckverfahrens liegen die zusammengehörigen Abschnitte in den verschiedenen metallhaltigen Schichten 3 versetzt vor. Dieser Lagenversatz führt zu unerwünschten elektrischen Verlusten und Stör effekten. Beim Übereinanderstapeln einer hohen Anzahl an metallhaltigen Schichten können sich solche Positionsfehler vervielfachen und die Funktion des Vielschichtbauteils erheblich einschränken. Dies ist insbesondere an den Durchkontaktierungen 4D gut zu erkennen, die in den einzelnen metallhaltigen Schichten alle leicht gegeneinander versetzt sind und daher nicht mehr passgenau übereinander angeordnet bzw. ausgerichtet sind.

Mithilfe des offenbarten Verfahrens, ist es möglich, Positionsungenauigkeiten und daraus resultierenden Lagen versatz von Abschnitten gleicher integrierter elektronischer Bauelemente 4 zu minimieren. Somit können auch unerwünschte elektrische Verluste und Störeffekt reduziert werden.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Keramikschicht 2 eines Vielschichtbauteils 1. auf der Keramikschicht 2 ist wiederum eine metallhaltige Schicht 3 aufgetragen. Die metallhaltige Schicht 3 umfasst integrierte elektronische Elemente 4. Hierzu zählt die Leiterbahn 4E. Die Leiterbahn 4E zeichnet sich im vorliegenden Beispiel dadurch aus, dass sie an ihrer schmalen Seite eine Breite von 30 pm aufweist. Diese Breite wurde mithilfe des offenbarten

Verfahrens erzielt. Hierzu wurde aus einer großflächigen kompakten metallhaltigen Schicht 4C mittels Laser entlang von zwei Bahnen 8 das metallhaltige Material entfernt. Hierzu wurde die metallhaltige Schicht 4C im Bereich der Bahnen 8 durch Bestrahlung mittels Laser zersetzt und das entstandene Pulver anschließend abgesaugt. Die beiden benachbarten Bahnen 8 sind parallel angeordnet, wobei der Abstand der beiden nächstgelegenen Ränder der beiden Bahnen nur 30 pm beträgt. Der zwischen den beiden Bahnen 8 stehen gebliebene metallhaltige Streifen 4E fungiert als Leiterbahn, deren geringe Breite von hier 30pm nicht allein mit dem Aufdruckverfahren sondern erst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden konnte.

BezugsZeichen 1 Vielschichtbauteil

1A Unterseite des Vielschichtbauteils 1 1B Oberseite des Vielschichtbauteils 1

2 Keramikschicht

3 metallhaltige Schicht 4 integriertes elektronisches Element

4A Spule

4B,E Leiterbahnen

4C kompakte metallhaltige Schicht 4D Durchkontaktierung 5 Kontaktstelle

6 Via

7 Antenne

7A,B Antennen innerhalb der kompakten Schicht 4C

8 Bahn, frei von metallhaltiger Schicht 3

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Feinstrukturierung von grobstrukturierten, pastösen, metallhaltigen Schichten 3, umfassend die folgenden Schritte:

- Aufbringen einer metallhaltigen Schicht 3, die eine Grobstruktur aufweist und ein pastöses Material umfasst, dessen Hauptkomponenten ein oder mehrere Metalle und ein organisches Lösemittel sind, auf eine Oberfläche,

- Scannen der Lage und Fläche der metallhaltigen Schicht 3 und Generieren eines Datensatzes aus den erfassten Daten,

- Auswerten des Datensatzes durch Vergleich mit vorgegebenen Werten,

- Ermitteln kritischer Abschnitte der metallhaltigen Schicht 3, die von den vorgegebenen Werten abweichen,

- Zersetzen der kritischen Abschnitte per Laserbestrahlung in ein metallhaltiges Pulver, wobei die grobstrukturierte metallhaltige Schicht 3 in eine gewünschte feinstrukturierte Schicht 3 überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die metallhaltige Schicht 3 auf die Oberfläche einer Keramikschicht 2 aufgebracht ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die metallhaltige Schicht 3 per Siebdruck auf die Oberfläche der Keramikschicht 2 aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Keramikschicht 2 eine Grünfolie umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Keramikschicht 2 umfassend die aufgebrachte metallhaltige Schicht 3 nach erfolgter Feinstrukturierung gesintert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei mehrere Keramikschichten 2 mit aufgebrachten metallhaltigen Schichten 3 nach erfolgter Feinstrukturierung und vor dem Sintern zu einem keramischen Vielschichtbauteil 1 gestapelt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die metallhaltige Schicht 3 Abschnitte integrierter elektronischer Elemente 4 umfasst.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Scannen und das Auswerten des erhaltenen Datensatzes automatisiert durch ein automatisches optisches Inspektions- System (AOI-System) erfolgen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das metallhaltige Pulver durch Absaugen von der Oberfläche der entfernt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die metallhaltige Schicht 3 als Nebenkomponente nicht metallhaltige Materialien, insbesondere keramische Materialien, umfasst.

11. Keramisches Vielschichtbauteil 1, welches mehrere Keramikschichten 2 und jeweils dazwischen angeordnete feinstrukturierte, metallhaltige Schichten 3 umfasst, wobei die Keramikschichten 2 Vias 6 zur elektrischen Durchkontaktierung umfassen, die metallhaltigen Schichten 3 Abschnitte integrierter elektronischer Elemente 4 umfassen, und die Keramikschichten 2 und die metallhaltigen Schichten 3 so übereinander gestapelt sind, dass integrierte elektronische Elemente 4, die sich über mehrere metallhaltige Schichten 3 erstrecken, gebildet werden, wobei Kontaktflächen 5 zusammengehöriger Abschnitte integrierter elektronischer

Elemente 4 in verschiedenen metallhaltigen Schichten 3 passgenau über ein zugehöriges Via 6 elektrisch verbunden sind, und der Mindestabstand zwischen zwei integrierten elektronischen Elementen 4 in derselben metallhaltigen Schicht 3 weniger als 30 pm beträgt.