DE3939627A1 - Verfahren zur befestigung von schichtschaltungen auf unterlagen - Google Patents

Verfahren zur befestigung von schichtschaltungen auf unterlagen

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Bernhard Dipl Chem Dr Stapp
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von Schichtschaltungen mit einem Keramiksubstrat auf Unterlagen aus Metall, Keramik oder Kunststoff mittels eines Klebharzes.
Schichtschaltungen sind miniaturisierte Netzwerke aus Leitbah­ nen, Widerständen (R) und Kondensatoren (C) in Dickschicht­ oder Dünnfilmtechnik. Die Erzeugung der R/C- und Leitungsnetz­ werke von Schichtschaltungen erfolgt überwiegend auf Keramik­ substraten. Zur Herstellung von integrierten Schichtschaltungen werden die Schaltungen zusätzlich mit aktiven und passiven Ein­ zelbauelementen, wie Dioden, Transistoren und Kondensatoren, oder integrierten Halbleiterschaltungen (IC) bestückt (siehe dazu: H. Reichl "Hybridintegration", 2. Auflage, Hüthig-Verlag Heidelberg, 1988, Seiten 13 bis 27).
Die Montage von Schichtschaltungen auf Unterlagen erfolgt aus verschiedenen Gründen, wie bessere Handhabung, Schutz vor me­ chanischer Zerstörung (bei nachfolgenden Arbeitsschritten) und Wärmeabfuhr. Die Unterlage kann dabei auch Teil eines Gehäuse­ körpers sein, der die Schaltung gegen Umgebungseinflüsse schützt, beispielsweise die Bodenplatte. Als Unterlagen werden meist metallische Werkstoffe verwendet, aber auch keramische Werkstoffe und Kunststoffe können als Unterlage dienen (H. Reichl, a. a. O., Seite 249).
Zur Befestigung von Schichtschaltungen bzw. Keramiksubstraten auf Unterlagen ist die Verwendung von kalt- oder warmhärtenden Klebharzen bekannt. Als chemische Basis für diese Klebharze dienen vorzugsweise Epoxidharze, Siliconharze, Urethanharze und Acrylatharze. Zur Erhöhung der Wärmeleitung werden den Klebhar­ zen Füllstoffe zugesetzt, insbesondere Aluminiumoxid. Bei kalt­ härtenden Klebharzen ist von Nachteil, daß sie wenig ferti­ gungsfreundlich sind und technische Mängel aufweisen. Kalthär­ tende Klebharze sind darüber hinaus wegen der zum Teil extrem kurzen Gebrauchsdauer (Topfzeit) technisch schwierig handhab­ bar. Zudem besitzen kalthärtende Klebharze keine ausreichende thermische Belastbarkeit, da die Glasübergangstemperatur der gehärteten Harze nicht hoch genug liegt. Andererseits sind aber auch warmhärtende Klebharze wenig fertigungsfreundlich, da der thermische Härtungsprozeß zeitaufwendig ist und sich nur schwierig in einen rationellen Fertigungsdurchlauf integrieren läßt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art zur Befestigung von Schichtschaltungen, die ein Ke­ ramiksubstrat aufweisen, auf Unterlagen mittels eines Klebhar­ zes in der Weise auszugestalten, daß das Klebharz als lösungs­ mittelfreies Einkomponentensystem ohne Begrenzung der Ge­ brauchsdauer (Topfzeit) verarbeitbar ist und schnell gehärtet werden kann, so daß es gut in einen kontinuierlichen Ferti­ gungsablauf zu integrieren ist und die Härtung des Klebharzes somit nicht zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt im Ferti­ gungsdurchlauf wird. Außerdem soll die Härtung bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden können, so daß kein uner­ wünschtes Fließen des Klebharzes durch Wärmeeinwirkung ein­ tritt. Ferner sollen die gehärteten Klebharzschichten eine hohe thermische Belastbarkeit besitzen, verbunden mit einer guten Wärmeleitfähigkeit und Elastizität.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf die Unter­ lage und/oder auf die zu verklebende Rückseite eines Substrats aus Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitridkeramik mit einer Dicke bis zu 1500 µm ein UV-härtbares Klebharz aufgebracht wird, daß die Schichtschaltung bzw. das Substrat auf der Unterlage posi­ tioniert wird und daß die Schichtschaltung bzw. die Vorderseite des Substrats mit UV-Licht bestrahlt wird, wobei durch den durch das Substrat hindurchtretenden Anteil des UV-Lichts die Härtung des Klebharzes bewirkt wird.
Es ist zwar an sich bekannt, daß Gegenstände mit einem durch Strahlung härtbaren Harz, das als Schicht zwischen zwei Ober­ flächen der Gegenstände eingebracht wird, miteinander verklebt werden können, wenn zumindest einer der Gegenstände für aktini­ sche Strahlung durchlässig ist, d.h. beispielsweise aus Glas besteht (siehe dazu: EP-PS 01 45 653). Es war jedoch völlig überraschend und konnte nicht vorhergesehen werden, daß der bei Schichtschaltungen mit einem Substrat aus Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitridkeramik, selbst bei einer Dicke des Substrats bis zu 1500 µm, durch das Substrat hindurchtretende geringe An­ teil an UV-Strahlung in der Lage ist, eine vollständige Härtung von Klebharzschichten zu bewirken. So wurde beispielsweise festgestellt, daß bei einer 0,635 mm dicken Aluminiumoxidke­ ramik die UV-Transmission nur ca. 4% beträgt und bei einer 1,016 mm dicken Keramik nur noch ca. 0,6%.
Aus der DE-OS 26 02 574 sind photopolymerisierbare Zusammen­ setzungen bekannt, die unter anderem als Kleber für solche An­ wendungszwecke brauchbar sind, bei denen sie in situ bestrahlt werden können, beispielsweise bei der Bildung von Schichtkör­ pern oder Laminaten, wo eine Lage oder Schicht oder beide strahlungsdurchlässig sind, wie dies bei Glasschichten oder einigen Kunststoffschichten der Fall ist. Dies bedeutet aber, wie in der DE-OS 36 43 400 ausgeführt ist, nichts anderes, als daß die beschriebenen Zusammensetzungen nur solche Substrate vollständig zu verkleben vermögen, von denen mindestens eines die für die Initiierung und Weiterführung der Polymerisations­ reaktion erforderliche Strahlung durchläßt. Für die erforderli­ che Strahlung nicht durchlässige Substrate können mit den be­ schriebenen Zusammensetzungen somit nicht verklebt werden.
Dementsprechend wird in der DE-OS 36 43 400 - und auch in der DE-OS 36 43 399 - zum Verkleben von nicht-transparenten Sub­ straten bzw. Flächen ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem spe­ zielle Klebemischungen auf wenigstens eine der zu verklebenden (Substrat-)Flächen aufgebracht werden und durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung (für eine begrenzte Zeit) die Polymerisation der Klebemischung eingeleitet wird. Die zu ver­ klebenden und mit Klebemischung beschichteten Flächen fügt man dann zusammen und läßt die verklebende Polymermischung aushär­ ten, d. h. man läßt den initiierten Härtungsvorgang weiterlau­ fen, bis eine feste Bindung entstanden ist. Ein entsprechendes Verfahren ist auch bereits aus der US-PS 42 19 377 zum Verkle­ ben von opaken und wärmeempfindlichen Substraten bekannt.
Eine weitere Möglichkeit zum Verkleben von zwei wahlweise aus Metall, Glas, Keramik oder Holz bestehenden Oberflächen ist aus der DE-PS 28 03 881 bekannt. Hierbei wird eine Schicht einer flüssigen Masse - in Abwesenheit einer Substanz, die zu einem erheblichen Grad lichtinduzierter Polymerisation führt, - mit aktinischer Strahlung belichtet, bis sich die Masse durch Pho­ topolymerisation einer darin enthaltenen photopolymerisierbaren Verbindung zu einer weitgehend festen, durchlaufenden Folie verfestigt. Diese Folie wird dann zwischen die beiden Oberflä­ chen und in Berührung damit eingelegt und dann wird erhitzt, um ein in der Masse enthaltenes, im wesentlichen im heißhärtenden Zustand verbliebenes Epoxidharz zu härten.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine gut haftende Befestigung von Schichtschaltungen auf Unterlagen aus Metall, Keramik oder Kunststoff erreicht. Die bei diesem Verfahren ein­ gesetzten Schichtschaltungen weisen Keramiksubstrate mit einer Dicke bis zu 1500 µm auf. Vorteilhaft beträgt die Dicke der Ke­ ramiksubstrate weniger als 1100 µm, und vorzugsweise liegt sie unterhalb von 700 µm.
Als Bestrahlungsquellen können beim erfindungsgemäßen Verfahren prinzipiell alle üblichen UV-Quellen eingesetzt werden, wie Xenonstrahler, Wolframstrahler, Quecksilberniederdruck-, -mit­ teldruck- und -hochdruckstrahler, Metallhalogenidstrahler und Laser verschiedenster Art. Die UV-Emission der Strahler kann kontinuierlich oder gepulst erfolgen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren beträgt die auf das Keramik­ substrat auftreffende UV-Leistungsdichte vorteilhaft mindestens 50 mW/cm2, vorzugsweise jedoch mindestens 100 mW/cm2. Derartige Leistungsdichten können mit Strahlern der genannten Art bei kontinuierlicher Emission problemlos erreicht werden. Dabei kann es zweckmäßig sein, die Strahler in Verbindung mit fokus­ sierenden optischen Komponenten, wie Reflektoren und Linsen, zu betreiben sowie die Strahlung mit Hilfe von lichtleitenden Me­ dien an den Ort der Bestrahlung zu führen.
Beim Verfahren nach der Erfindung wird das Klebharz vorteilhaft radikalisch und/oder kationisch gehärtet. Aufgrund der gerin­ gen, durch das Keramiksubstrat hindurchgehenden UV-Intensität muß das Klebharz dabei hochreaktiv eingestellt sein.
Geeignete UV-härtbare Klebharze sind insbesondere kationisch härtbare Epoxidharzmischungen auf Basis von Diglycidylethern, wie Bisphenol A-Epoxidharze, Bisphenol F-Epoxidharze, Phenol­ novolak-Epoxidharze, Kresolnovolak-Epoxidharze und ringepoxi­ dierte cycloaliphatische Epoxidharze, in Verbindung mit Photo­ initiatoren auf Basis von Triarylsulfoniumsalzen, die Hexa­ fluorphosphat und/oder Hexafluorantimonat als Anion enthalten. Zur Erhöhung der Härtungsgeschwindigkeit und zur Verbesserung der mechanischen Formstoffeigenschaften können diese Epoxid­ harzmischungen zusammen mit Vinylethern, wie Tripropylenglykol­ divinylether, und/oder Hydroxyl- bzw. Polyhydroxylverbindungen, wie Polyoxyalkylenpolyolen, Polyalkylenpolyolen und cycloali­ phatischen Hydroxylverbindungen, sowie mit Mischungen dieser Verbindungen eingesetzt werden.
Zur radikalischen UV-Härtung eignen sich Harzmischungen auf Basis von niedermolekularen oder höhermolekularen Verbindungen mit einer oder mehreren Doppelbindungen, wie sie beispielsweise bei (meth)acrylatfunktionellen Harzen vorliegen. Geeignete Har­ ze sind hierbei (meth)acrylierte Epoxidharze, (meth) acrylierte Polyether, (meth)acrylierte Polyurethane, (meth)acrylierte Polyester und (meth)acrylierte Polysiloxane sowie die (Meth)­ acrylsäureester mehrfach funktioneller Alkohole, wie Bisphenol A und Trishydroxyethylisocyanurat. Die photoreaktive Einstel­ lung dieser Harze erfolgt durch Zusatz von Photoinitiatoren. Geeignete Photoinitiatoren sind intramolekular Radikale bilden­ de Initiatoren, wie Benzoinderivate, Benzil- und Acetophenon­ derivate sowie Benzoylphosphinoxide, und durch intermolekulare H-Abstraktion Radikale bildende Initiatoren, wie Benzophenone und Thioxanthone in Verbindung mit Coinitiatoren und/oder Sen­ sibilisatoren. Derartige Photoinitiatoren sowie ihre Kombina­ tion mit geeigneten Sensibilisatoren sind dem Fachmann hinläng­ lich bekannt. Zur Erhöhung der Härtungsgeschwindigkeit und zur Erniedrigung der Viskosität der UV-härtbaren Klebharze können noch mono- und polyfunktionelle reaktive Verdünner eingesetzt werden; geeignete reaktive Verdünner sind dem Fachmann eben­ falls bekannt.
Die steigende Bestückungsdichte von Schichtschaltungen mit Bau­ elementen und die damit verbundene zunehmende Wärmeentwicklung erfordert oft die Verwendung wärmeleitender Klebharze. Beim er­ findungsgemäßen Verfahren wird deshalb die Wärmeleitfähigkeit der UV-härtbaren Klebharze vorteilhaft durch den Einsatz von Füllstoffen erhöht. Geeignete Füllstoffe sind - aufgrund ihrer Wärmeleitzahl - Aluminiumoxid, Quarzmehl und Bornitrid. Der Zu­ satz von Füllstoffen kann auch zur Reduzierung der Wärmeausdeh­ nung der gehärteten Klebharze zweckmäßig sein.
Ferner können die UV-härtbaren Klebharze vorteilhaft Additive enthalten, die die Haftung bzw. die Benetzung fördern. Geeig­ nete Additive sind beispielsweise Fluorkohlenwasserstofftensi­ de, Silicon-Alkylenoxid-Copolymere und Acrylpolymere. Der Haf­ tung kann beispielsweise der Zusatz von epoxy-(meth)acryloxy­ bzw. mercaptofunktionellen Trialkoxysilanen zuträglich sein.
Für die Verarbeitung der UV-härtbaren Klebharze im Siebdruck- oder Dispenserverfahren müssen die Harze ein bestimmtes, meist thixotropes, rheologisches Verhalten besitzen. Die vom Anwen­ dungsfall bestimmten rheologischen Eigenschaften können durch Thixotropiermittel, wie feindisperse anorganische Füllstoffe, beispielsweise pyrogene Kieselsäuren, Polyacrylate und Polyoxy­ alkylenether, erreicht werden.
Fertigungsgerechte Auftragstechniken für die UV-härtbaren Kleb­ harze sind der Siebdruck, das Dispenserverfahren und die Stem­ peltechnik. Die Siebdrucktechnik ist insbesondere für den Kleb­ harzauftrag in der Massenfertigung geeignet, weil dabei alle Klebestellen eines Substrats gleichzeitig beschichtet werden. Je nach Partikelgröße des Klebharzes und der geforderten Auf­ tragsstärke können dazu beispielsweise Nylon- oder Stahlsiebe mit 180 bis 325 mesh eingesetzt werden.
Beim Dispenserverfahren, d. h. mit Hilfe von Spritzen, deren Auslaßöffnung eine Dosiernadel bildet, kann das Klebharz von Hand oder automatisch dosiert werden. Die Klebharzmenge kann beispielsweise über die Regelung von Druck und Zeit gesteuert werden. Der Auftrag des Klebharzes in Stempeltechnik erfolgt durch Eintauchen eines Metallstempels, dessen Fläche ca. 20% kleiner als die spätere Klebefläche ist, in eine dünne Kleb­ harzschicht. Das beim Herausziehen am Stempel haftende Klebharz wird dann durch Aufdrücken des Stempels auf das Substrat trans­ feriert.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll das erfindungsgemäße Ver­ fahren noch näher erläutert werden. Die Zusammensetzung der in den Beispielen eingesetzten Klebharze und die Klebharzkomponen­ ten sind in Tabelle 1 bzw. 2 aufgeführt.
Tabelle 1
Zusammensetzung der Klebharze (in Masseteilen)
Tabelle 2
Klebharzkomponenten
Beispiele 1 und 2
Die Komponenten der Klebharze A und B werden jeweils bei Raum­ temperatur in einen Mischbehälter eingerührt, anschließend wer­ den die Klebharzmischungen A und B unter Rühren und verminder­ tem Druck (0,5 h; 60°C; <1 mbar) homogenisiert und entgast. Danach werden die Klebharze nach dem "spin coating"-Verfahren in einer Schichtdicke von 100 µm auf die Oberseite von 0,635 mm dicken Al2O3-Keramiksubstraten (Rubalit® 708; Hoechst Ceramtec) aufgebracht; die Keramiksubstrate wurden vor der Verwendung mit Aceton gereinigt. Zur Härtung der Klebharze wird die Unterseite der Keramiksubstrate jeweils 5 s mit UV-Licht bestrahlt; die UV-A-Leistungsdichte beträgt dabei ca. 190 mW/cm2. Dazu dient ein Bluepoint-Strahler UV-P 200 (Panacol-Elosol) mit 200 W-Hg- Hochdruckstrahler, Quarzkondensator und UV-durchlässigem Flüs­ siglichtleiter; Streulicht wird durch Aufsetzen eines lichtun­ durchlässigen Kunststoffgehäuses auf die mit Klebharz versehene Keramikoberseite ausgeschlossen. Die in Tabelle 3 angeführten Ergebnisse zeigen, daß eine Bestrahlungszeit von 5 s für die vollständige Härtung der Klebharze ausreichend ist.
Beispiele 3 und 4
Verwendet werden die Klebharze C und D; Klebharzaufbereitung, Harzapplikation und UV-Bestrahlung erfolgen entsprechend den Beispielen 1 und 2. Die Beurteilung der gehärteten Schichten wird nach einer Lagerung von 24 h bei Raumtemperatur und 50% relativer Feuchte durchgeführt. Die Ergebnisse sind Tabelle 3 zu entnehmen. Bei Klebharz C (Beispiel 3) ist die 100 µm- Schicht nach 5 s gehärtet, bei Klebharz D (Beispiel 4) sind dazu 30 s erforderlich.
Tabelle 3
Beispiel 5
Verwendet wird das Klebharz E; die Klebharzaufbereitung erfolgt entsprechend den Beispielen 1 und 2. Die Oberfläche einer in der Technik verwendeten Grundplatte (Aluminiumdruckguß) für Ke­ ramikschichtschaltungen wird durch Sandstrahlen gereinigt. Auf die gereinigte Oberfläche werden dann 3×3 Tropfen Klebharz im Dispenserverfahren aufgebracht; die Steuerung der Klebharzmenge erfolgt dabei über die Regelung von Druck und Zeit. Danach wird auf die Grundplatte - im Bereich der Klebharz-Tropfen - ein mit Aceton gereinigtes 0,635 mm dickes Al2O3-Keramiksubstrat (Ruba­ lit® 708; 25,4 mm×25,4 mm) aufgesetzt. Das Keramiksubstrat wird dann 30 s mit UV-Licht einer UV-A-Leistungsdichte von 150 mW/cm2 bestrahlt, wozu ein Bestrahlungsmodul (Fa. Hönle) mit einem 400 W-Metallhalogenid-Hochdruckstrahler und ellipti­ schem Reflektor verwendet wird. Die Haftfestigkeit des Keramik­ substrats auf der Grundplatte wird nach einer Lagerung von 24 h bei Raumtemperatur und 50% relativer Feuchte folgendermaßen geprüft: Ein Schermeißel wird, im rechten Winkel zur Grundplat­ te, an einer Seite des Keramiksubstrats angesetzt und die Scherkraft erhöht. Dabei zeigt sich, daß der zur Verfügung stehende Meßbereich von 1000 N nicht ausreicht, um die Klebeverbindung zu zerstören
Beispiel 6
Verwendet wird das Klebharz C; die Klebharzaufbereitung erfolgt entsprechend den Beispielen 1 und 2. Auf die Oberfläche der in Beispiel 5 beschriebenen gereinigten Grundplatte werden - in entsprechender Weise - neun Tropfen Klebharz im Dispenserver­ fahren aufgebracht; die Steuerung der Klebharzmenge erfolgt wiederum über die Regelung von Druck und Zeit. Danach wird eine mit Bauelementen bestückte Schichtschaltung aufgesetzt, deren Rückseite zuvor mit Aceton gereinigt wurde. Die verwendete Schichtschaltung war auf einem 0,635 mm dicken Al2O3-Keramik­ substrat (Rubalit® 708; 25,4 mm×25,4 mm) aufgebaut und mit einer 15 µm dicken Schicht Glaspassivierung DP 5137 (DuPont) versehen. Die UV-Bestrahlung, Lagerung und Prüfung der Haft­ festigkeit werden wie in Beispiel 5 beschrieben durchgeführt. Wie in Beispiel 5 reicht auch hierbei der zur Verfügung stehen­ de Meßbereich von 1000 N nicht aus, um die Klebeverbindung zu zerstören.

Claims (9)

1. Verfahren zur Befestigung von Schichtschaltungen mit einem Keramiksubstrat auf Unterlagen aus Metall, Keramik oder Kunst­ stoff mittels eines Klebharzes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf die Unterlage und/oder auf die zu verklebende Rückseite eines Substrats aus Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitridkeramik mit einer Dicke bis zu 1500 µm ein UV­ härtbares Klebharz aufgebracht wird, daß die Schichtschaltung bzw. das Substrat auf der Unterlage positioniert wird und daß die Schichtschaltung bzw. die Vorderseite des Substrats mit UV-Licht bestrahlt wird, wobei durch den durch das Substrat hindurchtretenden Anteil des UV-Lichts die Härtung des Klebhar­ zes bewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Substrat mit einer Dicke <1100 µm, vorzugsweise mit einer Dicke <700 µm, eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß UV-Licht mit einer UV-Lei­ stungsdichte 50 mW/cm2, vorzugsweise mit einer UV-Leistungs­ dichte 100 mW/cm2, verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Klebharz radikalisch und/oder kationisch gehärtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein kationisch härtbares Epoxidharz verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein radikalisch härtbares (meth)acry­ latfunktionelles Harz verwendet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kleb­ harz ein wärmeleitender Füllstoff zugesetzt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kleb­ harz ein Thixotropiermittel zugesetzt wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kleb­ harz ein die Benetzung und/oder ein die Haftung verbesserndes Additiv zugesetzt wird.
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