DE68922635T2 - Heisspressen dichter keramischer Flachkörper als Ein- und Mehrschichtsubstrate für elektronische Bauelemente. - Google Patents

Heisspressen dichter keramischer Flachkörper als Ein- und Mehrschichtsubstrate für elektronische Bauelemente.

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DE68922635T2
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Description

    Hintergrund und Stand der Technik: I. Heißpressung
  • Das Heißpreßverfahren zur Verfestigung von Keramikpulvern zu dichten, polykristallinen Materialien umfaßt die gleichzeitige Anwendung von hoher Temperatur und uniaxialem Druck. Es wird im allgemeinen verwendet, um Eigenschaften zu erzielen, die besser sind als diejenigen, die durch druckloses Sintern erhältlich sind, wobei eine sehr geringe Porosität, feinere Korngrenzen und eine bessere Homogenität erhalten werden. Es ist insbesondere anwendbar auf Pulver, die mit herkömmlichen Mitteln (nur hohe Temperatur) nur schwer zu einer hohen Dichte zu sintern sind, was auf eine inhärente Feuerfestigkeit der Verbindungen, schlechte Pulvereigenschaften (z.B. große Agglomerate, niedrige Oberfläche) oder eine Kombination der beiden zurückzuführen ist. Solche feuerfesten Verbindungen können Oxide (z.B. Al&sub2;O&sub3;, BeO), Nitride (z.B. AlN, Si&sub3;N&sub4;, BN), Carbide (z.B. SiC, B&sub4;C, WC) und Boride (z.B. TiB&sub2;) sowie Nultikomponentenphasen umfassen. Weil der Druck in eine Richtung angewendet wird, ist diese Verfahrensweise üblicherweise auf Gestalten mit hoher Symmetrie begrenzt (flache Platten, kurze Stäbe und Zylinder usw.).
  • Figur 1 veranschaulicht eine einfache Heißpreßkonfiguration. Es wird üblicherweise Graphitwerkzeug verwendet (z.B. Stempel und Formen), was auf die wünschenswerten physikalischen Eigenschaften von Graphit (d.h. eine hohe Feuerfestigkeit, eine gute maschinelle Verarbeitbarkeit, eine gute Hochtemperaturfestigkeit, ein niedriger Reibungskoeffizient und ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffezient), seinen niedrigen Preis und seine Verfügbarkeit zurückzuführen ist. Graphitwerkzeug wird jedoch an Luft bei hohen Temperaturen abgebaut und erfordert daher schützende, nicht-oxidierende Atmosphären (die häufig auch benötigt wird, um eine Oxidation von Nicht-Oxid-Pulvern zu verhindern, die beim Heißpressen verarbeitet werden sollen).
  • Ein üblicherweise mit dem Heißpressen von dünnen Stücken (z.B. weniger als 5 mm dick) verbundenes Problein liegt in dem Erhalten einer gleichmäßigen Füllung der Form mit dem Pulver vor der Verarbeitung. eine ungleichmäßige Füllung der Form kann zu Dikken- und Eigenschaftsveränderungen (z.B. Dichte, Festigkeit) sowie einem Versagen der Stempel und/oder Form aufgrund ungleichmäßiger Spannungsverteilungen führen, die eine fehlerhafte Ausrichtung der Stempel verursachen. Das Erhalten einer gleichmäßigen Formfüllungen wird zunehmend schwierig, wenn die Fläche der Stücke, die heißzupressen sind, größer wird, und es sind Versuche gemacht worden, mehrere keramische Schichten gleichzeitig heißzupressen, wobei Graphitabstandshalter zwischen den Pulvern verwendet wurden (wie es typischerweise erfolgt, um die Herstellungskosten zu senken). Es gibt außerdem Probleme, die mit der Handhabung großer Mengen Pulver während der Füllung der Form verbunden sind. Diese umfassen eine Verunreinigung aus der Form (insbesondere während der Füllung der Form) sowie Gesundheitsgefährdungen, die mit Flugteilchen verbunden sind. Ein anderes Problem beim Heißpressen unter Verwendung von Graphitwerkzeug ist die Kohlenstoffverunreinigung des verarbeiteten Materials. Diese kann eine erhebliche Verfärbung des Materials verursachen und auch die elektrischen und physikalischen Eigenschaften ebenfalls beeinträchtigen.
  • Die oben erwähnten Pulverhandhabungsprobleme können überwiegend überwunden werden, indem gleichförmig hergestellte, ungebrannte Platten verwendet werden, die aus dem heißzupressenden Pulver plus organischen Materialien bestehen. Diese Platten, bekannt als "keramische Grünkörper", können mit hoher Gleichförmigkeit durch normale keramische Pulververarbeitungsverfahren wie Extrusion oder Bandgießen hergestellt werden. Die organischen Komponenten werden gewählt, um die Verarbeitung der Platten zu vereinfachen und dem Keramikkörper ausreichend Festigkeit zu vermitteln, wobei das Pulver so zusammengebunden wird, daß es leicht in seiner ungebrannten Form gehandhabt und in die Form gefüllt werden kann. Die Verwendung von keramischen Grünkörpern ist insbesondere vorteilhaft, wenn mehrere keramische Schichten gleichzeitig heißgepreßt werden sollen.
  • Neben der Vermittlung von Festigkeit (und Handhabbarkeit) an die keramische Grünplatte wird von einem erfolgreichen organischen Bindemittelsystem weiterhin gefordet, daß es während des Erhitzens entfernt werden kann, so daß keine unerwünschten Eigenschaften von Rückständen (z.B. Kohlenstoff) herrühren können, die in dem Keramikmaterial nach der Verdichtung zurückgeblieben sind. Dieses Attribut eines Bindemittels wird üblicherweise als "Sauberbrennen" (clean-burning) bezeichnet, auch wenn die Bindemittelentfernung keine Oxidation umfaßt. Es ist anzumerken, daß die Eigenschaften des Sauberbrennens von den Umweltbedingungen während des Brennens abhängt. Wenn beispielsweise eine herkömmliche Sinterung in Luft durchgeführt wird, wird die Bindemittelentfernung durch die Gegenwart von Sauerstoff unterstützt, der das Potential für eine Oxidation von kohlenstoffhaltigen Rückständen einer thermischen Zerstzung liefert. Das Sauberbrennen von Bindemitteln ist schwieriger zu erreichen, wenn die Sinterung unter nicht-oxidierenden oder reduzierenden Bedingungen erfolgt, bei denen eine Oxidation effektiv ausgeschlossen ist. §Heißpressen mit Graphitwerkzeug (in nicht-oxidierenden Atmosphären) vergrößert das Problem der Bindemittelentfernung, da Graphit mit den Bindemittelrückständen um jeden Sauerstoff in der Atmosphäre konkurriert. Daher werden die Vorteile der Zugabe kleiner Mengen Sauerstoff oder Wasserdampf, um die Bindemittelentfernung zu vereinfachen (was manchmal durch Zugabe von Wasserdampf erfolgt), minimiert. Das Problem der Bindemittelentfernung wird ferner während des Heißpressens durch die Tatsache vergrößert, daß der Grünkörper durch das Werkzeug eingeschlossen ist, so daß es erforderlich ist, daß die Bindemitteldämpfe durch den Spalt zwischen den Stempeln und der Form entweichen muß. Es bestehen daher lange Diffusionswege für die Bindemitteldämpfe durch den kompakten Grünkörper. Es besteht außerdem nur eine geringe Chance für eine Kontrolle der lokalen Atmosphäre in diesem eingekapselten System. Unter Berücksichtigung der obigen Bemerkungen ist es geschlossen worden, daß Heißpressung mehr Zwänge auf das erfolgreiche Bindemittelsystem ausübt als eine herkömmliche Sinterung und daher manche organische Verbindungen, die als sauberbrennend angesehen werden, wenn sie bei herkömmlichen Sinterverfahren verwendet werden, von einer Berücksichtigung ausgeschlossen sind.
  • Ein anderes übliches zu überwindendes Problem beim Heißpressen von keramischem Material ist das Kleben des Keramikmaterials an dem Graphitwerkzeug nach der Verdichtung. Häufig wird Bornitrid (BN)-Pulver als wirksames Trennmittel beim Heißpressen von Keramiken mit Graphikwerkzeug verwendet. Es wird üblicherweise auf die Graphitoberflächen (die mit dem Keramikpulver in Kontakt gelangen) durch Aufstreichen oder Aufsprühen einer BN enthaltenden Aufschlämmung (z.B. US-A-4 518 736) aufgebracht. Ein BN- Pulver ist nutzlich, weil es nicht leicht mit entweder Graphit oder vielen feuerfesten Keramiken reagiert und sich nicht leicht selbst verdichtet. Dies, gekoppelt mit seiner plattenartigen Teilchenmorphologie, erlaubt ein einfaches Delaminieren der Keramik von dem Graphit nach der Heißpressung.
  • Wenn eine dickere BN-Schicht erforderlich ist (wegen geringfügiger Reaktionen zwischen dem BN und anderen Materialien oder der Notwendigkeit einer besseren Sperre gegeb eine Kohlenstoffdiffusion in die Keramik), kann BN-Pulver zu einem Grünplatte geformt werden, indem die gleichen Verfahrensweisen wie zuvor zur Herstellung von keramischen Grünkörpern verwendet werden. Das zur Herstellung der BN-Grünplatte verwendete Bindemittelsystem muß die gleichen Kriterien der Festigkeit und sauberbrennenden Natur erfüllen, wie sie oben für die keramische Grünplatte erwähnt sind. Gemäß der veröffentlichten Japanischen Patentanmeldung 61- 10074 wird ein plattenförmiges Formtrennmmaterial aus Bornitrid beim Heißpreßsintern von SiC verwendet. Das Plattemnateria1 weist ein Bindemittel auf, das thermoplastische Harze als Hauptkomponente enthält wie Polyvinylbutyral (PVB) oder Polyvinylalkohol (PVA) und einen Weichmacher wie Butylbutylphthalylacrylat oder Polyethylenglykol und ein Peptidisierungsmittel wie Glycerin oder Octadecylamin. Damit die Platte eine geforderte Festigkeit und Flexibilität behält, liegt der ungefähre Zusammensetzungsbereich bei 82 bis 88 Gew.-% des Formtrennmaterials, 8 bis 12 Gew.-% des Bindemittels, 4 bis 6 Gew.-% des Weichmachers und weniger als 5 Gew.-% des Peptidisierungsmittels. Bei einigen Anwendungen können das PVB- und das PVA-Bindemittel, das durch dieses Japanische Patent vorgeschlagen wird, nicht wirksam sein, da sie erheblichen Rückstand bei einer Pyrolyse in nicht-oxidierenden Atmosphären zurücklassen (siehe Figur 2). Rückstände dieser Bindemittel können zu dem heißzupressenden Material migrieren und seine resultierenden Eigenschaften beeinträchtigen.
    • II. Elektroniksubstrate
  • Keramische Materialien werden häufig verwendet, um elektronische Komponenten (elektronische Bauteile) zu tragen (z.B. auf Silicium-basierende integrierte Schaltungen). Diese Materialien, die als Substrate bezeichnet werden, sind typischerweise von planarer Geometrie und haben häufig auf ihrer Oberfläche (ihren Oberflächen) und/oder innerhalb ihres Inneren eine Metallisierung. Diese Metallisierungen können als Wege für elektrische Signale, als Erdungsebenen, als Antennen oder als andere passive oder aktive elektrische Komponenten in der Struktur dienen. Die Metallisierung kann auch als Substrat für eine anschließende Weiterverarbeitung (z.B. Lötung, Plattierung) zum Anheften des keramisches Material an andere Materialien dienen. Die keramischen Materialien weisen typischerweise eine hohe spezifische Dichte auf, um eine optimale thermische und mechanische Leistung zu liefern.
  • Es werden verschiedene Ausdrücke verwendet, um Substrate und die Weise, wie sie hergestellt worden sind, zu beschreiben. Ein Einzelschichtsubstrat bezeichnet ein Substrat mit Metallisierungsmustern nur auf seiner Oberfläche (seinen Oberflächen). Ein Mehrschichtsubstrat im üblichen Sinn weist innere Schichten mit Metallisierungsmustern auf und kann außerdem Oberflächenmetallisierung aufweisen. Die metallisierten Muster auf verschiedenen Schichten eines Mehrschichtsubstrats sind häufig durch metallisierte Durchgangslöcher oder Verbindungswege in den Keramikschichten miteinander verbunden. Ein co-gebranntes Substrat zeichnet ein Substrat, bei dein das keramische Grünpulver und die Metalltintenmuster in einem einzigen Brennschritt gebunden und verdichtet werden. Substrate mit entweder einer Einzelschicht- oder Mehrschichtmetallisierung werden manchmal in der Technik als Einzelschicht- bzw. Mehrschichtpakete bezeichnet.
  • Ein übliches Vorgehen, um keramische Elektroniksubstrate herzustellen, ist das Sintern von Keramik(und Metall)pulvern. Dies umfaßt üblicherweise die Herstellung einer Platte, die aus Keramikpulver plus organischen Materialien besteht, wie oben beschrieben ist. Wenn ein unmetallisiertes Substrat aus einer Grünplatte hergestellt werden soll, wird der Platte einfach unter Bedingungen erhitzt, die die Entwicklung von Bindemittel und eine anschließende Sinterung des Keramikpulvers erlauben. Unmetallisierte Substrate werden manchmal als vorgefeuerte Substrate bezeichnet, da elektronische Leitermuster auf die Oberflächen aufgebracht werden, nachdem das Keramikmaterial gesintert worden ist (und üblicherweise durch einen separaten Schritt).
  • Bei einem Co-Brennverfahren wird das Metalleitermuster auf die Oberfläche der Grünplatte üblicherweise mittels einer Tinte oder Paste aufgebracht, die Metallpulver und organische Verbindungen enthält, wie beispielsweise durch Siebdruck. Die metallisierte Platte kann anschließend gebrannt werden, um ein Einzelschichtsubstrat mit einem elektronischen Schaltungsmuster herzustellen. In manchen Fällen wird Glaspulver zu der Metalltinte gegeben, um die mechanische Bindung der Metallisierung an das Keramiksubstrat zu fördern. Dies kann jedoch für die elektrische Leitfähigkeit der Metallisierung nachteilig sein.
  • Bei einem Mehrschicht-co-Brennverfahren können Durchgangswege (d.h. elektrische Verbindungen durch die Keramikschichten) gebildet werden, indem ein Loch in der Keramikplatte erzeugt wird und es mit Metall gefüllt wird. Metallisierungsmuster in der Ebene jeder Schicht können beispielsweise durch Siebdrucken von Metalltinten aufgebracht werden. Diese metallisierten Platten aus Grünband können laminiert und zusammengeschmolzen werden, wobei ausreichend Druck und minimale Wärme angewendet werden, um die Polymeren in benachbarten Schichten aneinanderzubinden. Die metallisierte, laminierte Struktur kann anschließend auf die Weise des Einzelschichtsubstrats gesintert werden, um ein dichtes Mehrschichtsubstrat herzustellen. Eine auf diese Weise hergestellte Struktur ist als "co-gebranntes Mehrschichtsubstrat" bekannt.
  • Die folgende Beschreibung befaßt sich mit einigen Problemen, denen man begegnet, wenn man versucht, Elektroniksubstrate durch Sintern herzustellen. Ein häufig auftretendes Problem ist ungleichmäßiges Sintern aufgrund von Inhomogenitäten durch die Grünplatte oder aufgrund von ungleichmäßigem Erhitzen der Platte. Diese Probleme können zum Verwinden des gebrannten Produkts führen, was die Ausbeuten signifikant beeinträchtigen kann. Diese Probleme werden deutlicher, wenn die Substratgröße zunimmt.
  • Wie zuvor erwähnt worden ist, sind einige Verbindungen, die als Elektroniksubstrate verwendet wurden (z.B. AlN, Si&sub3;N&sub4;), inhärent schwierig zu sintern. Dies liegt an den starken kovalenten Bindungen in diesen Materialien, was zu einer schlechten atomaren Mobilität führt. Das Erhalten von Keramiken mit hoher Dichte aus Grünplatten dieser Verbindungen kann mittels drucklosem Sintern unmöglich sein, solange keine sehr feinen Pulver verfügbar sind (was oft nicht der Fall ist).
  • Ein anderes Problem, das beim Co-Brennen von Keramiken mit Metallmustern auftritt, ist die Unfähigkeit die laterale (seitliche) Schrumpfung während des Sinterns von sowohl dem Metall als auch dem Keramikpulver (durch Kontrolle der Pulvermorphologie) zu kontrollieren. Dies kann zu erheblichen Restspannungen an der Keramik/Metall-Grenzfläche führen, was zum Verziehen des Substrats und Abblättern der Metalle führen kann. Eine schlechte Kontrolle der seitlichen Schrumpfung kann auch in Substraten auftreten, die die benötigten dimensionalen Toleranzen nicht erfüllen. Dieser zweite Punkt kann besonders störend sein, wenn viele Substrate hergestellt werden, die alle spezifizierte Toleranzen erfüllen müssen, um brauchbar zu sein. Er ist auch wichtiger als eine Substratgrößezunahme.
    • Aufaaben der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung dichter Keramikplatten, die für Elektronksubstrate geeignet sind, durch Heißpressen zu liefern.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Co-Brennung von Keramik- und Metallpulvern zu liefern, um keramische Substrate mit einem elektrisch leitfähigen Schaltungsmuster herzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines keramischen Substrats mit mehreren Schichten miteinander verbundener, elektrisch leitfähiger Schaltungsmuster herzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Verdichtung von schwer zu sinternden Pulvern zu einem Material zu liefern, das für Elektroniksubstrate geeignet ist.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Elektroniksubstraten durch gleichzeitiges Heißpressen mehrerer Substrate zu liefern.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Bindemittel- System zu liefern, das bei Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff keine unerwünschten Rückstände zurückläßt, so daß Elektroniksubstrate durch Heißpressen hergestellt werden können.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein dichtes Elektroniksubstrat zu liefern, das schwer zu sinterndes keramisches Material und ein elektrisch leitfähiges Schaltungsmuster umfaßt.
  • Die obigen Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung von dichten, keramischen Elektroniksubstraten mit dichtem, leitfähigem Metallschaltungsmuster (dichten, metallischen Schaltungsmustern) auf der (den) Oberfläche(n) gelöst, bei dem:
  • (a) keramische Grünplatten hergestellt werden, die keramisches Pulver und Polyethylen umfassen,
  • (b) das (die) gewünschte(n) Metallschaltungsmuster mit einem geeigneten Metall, das mit dem Keramikmaterial verträglich ist, auf die Keramikplatte(n) aufgebracht wird (werden), vorzugsweise durch Siebdrucken einer Metallpaste,
  • (c) Bornitridgrünplatten auf jeder Seite der keramischen Platte mit dem (den) Metallschaltungsmuster(n) aus (b) angeordnet werden, vorzugsweise durch Laminierung einer Bornitridplatte auf jede Seite des Composits,
  • (d) die metallisierten Platten unter Bedingungen heißgepreßt werden, die notwendig sind, um sowohl das Keramikpulver als auch das Metallpulver zu verdichten, und
  • (e) die BN-Schichten von den Seiten der dichten keramischen Platte entfernt werden,
  • oder
  • durch ein Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen, keramischen Elektroniksubstraten mit inneren, miteinander verbundenen Metallschaltungen auf den verschiedenen Schichten, bei dem:
  • (a) keramische Grünplatten hergestellt werden, die Keramikpulver und Polyethylen umfassen,
  • (b) in der (den) keramischen Platte(n) aus (a) mit Metall gefüllte Durchgänge erzeugt werden, indem in die keramische(n) Platte(n) Löcher gestanzt werden und mit Metallpulvern gefüllt werden,
  • (c) die gewünschten Metallschaltungsmuster auf die keramischen Platten aus (b) aufgebracht werden,
  • (d) die gewünschte Zahl von keramischen Platten aus (c) auf eine Weise zusammenlaminiert werden, die die Lagegenauigkeit der metallisierten Muster und Durchgänge auf den verschiedenen Schichten aufrechterhält, um einen mehrschichtigen, keramischen Metallgrüncomposit zu bilden,
  • (e) auf jeder Seite des Composits aus (d) Bornitridplatten angeordnet werden, vorzugsweise durch Laminierung der Bornitridplatten auf jede Seite der keramischen Grünplatte,
  • (f) das BN-Composit-BN-Produkt aus (e) unter Bedingungen heißgepreßt wird, die notwendig sind, um die Bindemittelentfernung zu erleichtern und sowohl das Keramikpulver als auch das Metallpulver zu verdichten, und
  • (g) die BN-Schichten auf jeder Seite der dichten, keramischen Platte entfernt werden.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung einschichtiger, metallisierter und mehrschichtiger keramischer Substrate für elektronische Anwendungen durch Heißpreßen. Diese Technik erlaubt die Verfestigung von schwer zu sinternden Pulvern (einschließlich Compositmischungen) zu dichten Keramiken. Sie liefert auch erhöhte Ausbeuten durch effektives Beseitigen von Verwindung. Die Beseitigung von Verwindung wiederum erhöht die Größe des Substrats, das leicht hergestellt werden kann. Ferner wird eine seitliche (laterale) Schrumpfung von elektronischen Schaltungsmustern während des Verarbeitens effektiv beseitigt, da die Verfestigung hauptsächlich senkrecht zur Ebene des Substrats erfolgt. Dies liefert sowohl eine verbesserte dimensionale Kontrolle als auch verbesserte Ausbeuten. Die obigen Vorteile werden durch die Verwendung eines Bindemittelsystems möglich gemacht, das bei Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff keine unerwünschten Rückstände zurückläßt.
  • Dichte Keramikplatten, die für Elektroniksubstrate geeignet sind, werden hergestellt, indem zuerst mindestens eine keramischer Grünplatte hergestellt wird, die keramisches Pulver und organische Bindemittel enthält, die bei Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff keinen unerwünschten Rückstand zurücklassen, d.h. Polyethylen. Bornitridplatten, die aus Bornitrid(BN)pulver und einem organischen Bindemittel, das bei Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff keinen unerwünschten Rückstand zurückläßt, hergestellt worden sind, werden dann auf jeder Seite der Keramikplattes angeordnet, um einen Composit zu bilden. Der Composit wird unter Bedingungen heißgepreßt, die eine Entfernung des Bindemittels erleichtern und die Keramik verdichten. Schließlich werden die BN-Schichten auf jeder Seite der dichten Keramikplatte entfernt.
  • Mehrere dichte Keramikplatten können gleichzeitig hergestellt werden, indem Bornitrid(BN)platten benachbart zu den keramischen Grünplatten angeordnet werden, um einen Stapel der Form BN-Keramik-(BN-Keramik)x-BN herzustellen, wobei x eine positive Zahl ist, bevor heißgepreßt wird. Ein bevorzugter Weg zur Herstellung der keramischen Grünplatten besteht darin, keramisches Pulver, Polyethylen und Öl zu mischen und die Mischung bei einer erhöhten Temperatur zu compoundieren, um das Schmelzen des Polyethylens zu vereinfachen. Die compoundierte Mischung wird durch Extrusion durch eine Düse geformt, um Platten zu bilden, und das Öl wird durch Extraktion mit organischem Lösungsmittel entfernt. Alternativ können die keramischen Grünplatten durch Pressen der compoundierten Mischung zu flachen Plattengeformt werden, bevor die Extraktion erfolgt.
  • Erfindungsgemäße, dichte, keramische Elektroniksubstrate mit einem oder mehreren dichten, leitfähigen Metallschaltungsmustern auf der Oberfläche können daher durch dieses Verfahren hergestellt werden, wobei, nachdem die keramischen Grünplatten hergestellt worden sind, die gewünschten Metallschaltungsmuster aufgebracht werden wie durch Siebdrucken mit einem geeigneten Metall, das mit der Keramik verträglich ist, auf die keramischen Platten. Nach dem Heißpressen mit den benachbarten Bornitridgrünplatten weist das resultierende Produkt das gewünschte Schaltungsmuster auf.
  • Die erfindungsgemäßen mehrfach metallisierten, dichten keramischen Schichten können daher gleichzeitig hergestellt werden, indem Bornitridplatten benachbart zu den metallisierten keramischen Platten gestapelt werden. Ein bevorzugtes Metall für die Metallisierung ist Wolfram (W). Die Bornitridplatten können zur Vereinfachung des Vorgangs auf jede Seite der keramischen Grünplatte laminiert werden.
  • Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, daß mehrschichtige keramische Elektroniksubstrate mit innneren Verbindungen zwischen den Metallschaltungen auf den verschiedenen Schichten hergestellt werden können. Die keramischen Grünplatten werden wie oben beschrieben hergestellt und mit Metall gefüllte Durchgänge werden in einer oder mehreren Keramikplatten durch Stanzen von Löchern in die Keramikplatten und Füllen mit Metallpulvern erzeugt. Dann werden die gewünschten Metallschaltungsmuster aufgebracht und anschließend wird die gewünschte Zahl von Keramikplatten auf eine Weise miteinander laminiert, die die Lagegenauigkeit (Registration) der metallisierten Muster und Durchgänge auf den verschiedenen Schichten aufrechterhält, um einen mehrschichtigen Keramik/Metall-Grüncomposit zu bilden. Bornitridplatten werden auf jeder Seite des Composits angeordnet und der Composit wird durch Heißpressen hergestellt, wobei das oben beschriebene Verfahren verwendet wird.
  • Die Metallpulver können in den Durchgängen angeordnet werden, indem Metallpulver enthaltende Platten gebildet werden, die mit Metallpulvern und organischen Bindemitteln, die bei Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff keinen unerwünschten Rückstand zurücklassen, hergestellt worden sind. Ein Loch kann in eine keramische Grünplatte gestanzt werden, woraufhin die Metallpulver enthaltende Platte gegen die keramische Grünplatte gelegt wird und das Metall enthaltende Material durch einen Stanzvorgang in das Loch der keramischen Grünplatte gezwungen wird. Wenn Oberflächenhohlräume in den Substraten gewünscht sind, kann ein Loch in die Keramikplatte gestanzt werden, die auf der Oberfläche des Composits verbleibt, und das Loch kann mit BN-Bandmaterial ähnlicher Dicke gefüllt werden, bevor die Laminierung der Schichten erfolgt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Figur 1 ist eine Querschnittsansicht einer einfachen Heißpreßkonfiguration.
  • Figur 2 zeigt eine thermogravimetrische Analyse von organischen Bindemitteln während des Erhitzens in Abwesenheit von Sauerstoff.
    • Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
  • Zum Zwecke des besseren Verständnisses wird zuerst ein unmetallisiertes (oder leeres) Substrat hergestellt. Der Anfangsschritt umfaßt die Herstellung einer handhabbaren Platte, die aus keramischem Pulver und einem organischen Bindemittel besteht, das der ungebrannten keramischen Platte Festigkeit und Zähigkeit vermittelt. Das Keramikpulver ist die gewünschte Verbindung für das polykristalline Substrat oder ein Vorläufer, der sich beim Erhitzen in die gewünschte Verbindung umwandelt. Beispiele von Keramikpulvern mit geeigneten dielektrischen und thermischen Eigenschaften für Elektroniksubstratanwendungen umfassen Al&sub2;O&sub3;, BeO und AlN, sie sind aber nicht hierauf begrenzt.
  • Das organische Bindemittel hinterläßt bei einer Pyrolyse vor der Verdichtung des Keramikpulvers keinen unerwünschten Rückstand. Dieses Erfordernis wird durch die Tatsache diktiert, daß solche Rückstände (z.B. Kohlenstoff) nachteilige Effekte auf sowohl die physikalischen als auch elektronischen Eigenschaften der Keramik haben können. In der US-A-4 642 148 sind beispielsweise Daten angegeben, die einen erheblichen Abfall der dielektrischen Durchschlagspannung in einem keramischen Schaltungsbord anzeigen, wenn Restkohlenstoffmengen größer als 100 ppm vorhanden waren. Da es wünschenswert ist, das Heißpressen in einer nichtoxidierenden Atmosphäre durchzuführen (entweder um eine Oxidation von nicht-oxidischem Keramikpulver oder des Graphitwerkzeugs zu verhindern), kann es notwendig sein, daß die Bindemittelpyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt wird. Dies erlegt dem Bindemittelsystem eine schärfere Bedingung auf, da Oxidation als Mittel zur Entfernung von Rückständen der Pyrolyse effektiv ausgeschlossen wird. Ein Bindemittelkandidat, der dieses Kriterium erfüllt ist Polyethylen hoher Dichte. In der US-A-3 755 204 ist ein Verfahren zur Herstellung poröser Keramikträger beschrieben, bei dem ein Schritt die Formung keramischer Vorformen unter Verwendung von Polyethylen hoher Dichte als Bindemittel und Öl als Weichmacher umfaßt. Die Mischung kann bei erhöhten Temperaturen compoundiert werden, um das Schmelzen des Polymerbindemittels zu erleichtern, und dann kann die compoundierte Mischung zu Platten geformt werden, indem ein Verfahren wie Extrusion durch eine Düse oder Pressen der compoundierten Mischung zu flachen Platten verwendet wird. In jedem Fall ist es bevorzugt, daß die compoundierte Mischung bei einer erhöhten Temperatur vorliegt, um die Fließeigenschaften der Mischung zu verbessern. Das Öl kann aus diesem System nach der Bildung der Platten und vor dem Heißpressen durch Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel wie Trichlorethan entfernt werden. Der Extraktionsschritt verringert die Gesamtmenge von Organischen Verbindungen, die während des Heißpressens entfernt werden müssen, und beseitigt alles außer dem sehr sauberbrennenden Polyethylen.
  • Figur 2 zeigt Daten, die die sauberbrennende Natur von Polyethylen in Abwesenheit von Sauerstoff wiedergeben. Es sind Daten für zwei üblicherweise verwendete organische Bindemittel angegeben, Polyvinylalkohol (PVA) und Polyvinylbutyral (PVB). Oberhalb von 600 ºC war bei Polyethylen kein meßbarer Rückstand vorhanden, während PVA und PVB 4,0 bzw. 1,4 Gew.-% Rückstand zurückließen. Es ist aus Figur 2 auch ersichtlich, daß Polyethylen im Vergleich zu den anderen beiden Bindemitteln in einem engen Temperaturbereich entweicht. Dies zeigt eine schnelle Gasentwicklung an, die beim Sintern nicht wünschenswert ist, da sie dazu neigt, die Grünmikrostruktur zu zerreißen und daher die gebrannte Dichte erniedrigt. Beim Heißpressen kann jedoch eine schnelle Verdampfung des Bindemittels toleriert werden, da der Grünkörper durch das Werkzeug zusammengedrückt wird und der Druck angewendet werden kann, um einen innigen Kontakt zwischen den Teilchen aufrechtzuerhalten oder zu gewinnen. Tatsächlich kann eine schnelle Entwicklung wünschenswert sein, da sie schnellere Herstellungszyklen erlaubt.
  • Um die Wechselwirkungen zwischen dem Graphitwerkzeug und der verarbeiteten Keramik zu verringern, kann eine Schicht aus Material mit verringerter Reaktivität an der Graphit/Keramik-Grenzfläche eingeführt werden. Ein solches Material ist Bornitrid.
  • Eine BN-Platte wird hergestellt, indem BN-Pulver und ein organisches Bindemittel, das bei Pyrolyse keinen unerwünschten Rückstand hinterläßt, verwendet werden. BN bleibt unter den zum Heißpressen der meisten Keramikpulver notwendigen Bedingungen inert (d.h. es sintert nicht oder geht mit dem Substratmaterial keine Wechselwirkung ein). Es wird daher verwendet, um das keramische Material von dem Graphit zu isolieren und die dünnen Platten aus Substratmaterial von dem Heißpreßwerkzeug nach der Verarbeitung zu entlaminieren oder, im Fall von gleichzeitiger Verarbeitung von keramischen Platten, um als Entlaminierungs schicht zwischen Platten aus Substratmaterial zu dienen. Das BN liefert auch eine nicht-reaktive Sperre, um eine Verunreinigung des Substratmaterials durch das Werkzeug (z.B. Kohlenstoff) zu verhindern. In dieser Hinsicht liefert es eine Verbesserung gegenüber der herkömmlichen Verfahrensweise der Verwendung von dünnen Graphitplatten als Entlaminierungsschicht. Es ist auch gefunden worden, daß die Verwendung von BN-Band im Vergleich mit einer Graphitfolie in einer glatteren Oberfläche auf der gebrannten Keramikplatte resultiert. Dies minimiert oder eliminiert die Notwendigkeit zur Oberflächenbearbeitung der keramischen Platte nach dem Heißpressen.
  • Polyethylen ist ein erfolgreiches Bindemittel für die BN-Platte, weil seine sauberbrennende Natur das potentielle Problem der Reaktion zwischen kohlenstoffhaltigen Rückständen und dem Keramikmaterial an der Keramik/BN-Grenzfläche beseitigt. In dieser Hinsicht stellt die Verwendung von Polyethylen als Bindemittel in einem BN-Band eine Verbesserung gegenüber dem in dem Japanischen Patent Nr. 61-10074 beschriebenen Stand der Technik dar, wo PVA und PVB als Bindemittel empfohlen werden. Wie oben beschrieben, hinterlassen PVA und PVB erhebliche Rückstände bei einer Pyrolyse in Abwesenheit von Sauerstoff. Die BN-Platte kann unter Verwendung von Polyethylen und Öl, wie zuvor für die heißzupressende Keramikplatte beschrieben worden ist, hergestellt werden.
  • Um eine einzelne Platte aus keramischem Substrat herzustellen, kann die BN-Platte auf beide Seiten der keramischen Grünplatte laminiert werden und das Heißpressen wird unter Bedingungen durchgeführt, die notwendig sind, um zuerst das Bindemittel zu entfernen und schließlich die Keramik zu verdichten. Es ist nicht notwendig, die BN-Platte auf die keramischen Grünplatte zu laminieren. Die BN-Platten brauchen lediglich auf jeder Seite der keramischen Grünplatte angeordnet sein. Der Vorteil der Laminierung besteht darin, daß sie eine weitere Verunreinigung der keramischen Grünplatte verhindert, wenn sie gehandhabt wird. Ein gleichzeitiges Heißpressen von mehreren Schichten, um die Herstellungskosten zu verringern, kann durchgeführt werden, indem starre Abstandshalter aus dem Werkzeugmaterial zwischen den oben beschriebenen Laminatstrukturen angeordnet werden, so daß mehrere Einheitszellen der Form (BN-Keramikplatte-BN-starrer Abstandshalter) stapelweise aufeinander in der Heißpresse gebildet werden.
  • Alternativ können Einheitszellen der Form (BN-Platte-Keramikplatte-(BN-Platte-Keramikplatte)x-starrer Abstandshalter) (wobei x eine positive Zahl ist) aufgebaut werden, um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens weiter zu verbessern. Bei diesem Aufbauverfahren wird entweder ein BN-Platte auf nur eine Seite einer Keramikplatte laminiert oder der Stapel wird hergestellt, indem alternativ eine BN-Platte und eine Keramikplatte hinzugefügt werden.
  • Nach dem Heißpressen können die Substratplatten leicht von dem Graphitwerkzeug und/oder voneinander getrennt werden. Das BN an der Oberfläche der dichten Keramikplatten kann anschließend durch Waschen und/oder Sandstrahlen entfernt werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein keramisches Elektroniksubstrat mit einem dichten leitfähigen Metallschaltungsmuster auf seiner Oberfläche hergestellt. Wie oben beschrieben, werden handhabbare Platten aus Keramikpulver und BN mit sauberpyrolysierenden Bindemitteln hergestellt. Auf die Keramikplatte wird ein metallisiertes Muster mittels einer verfügbaren Technik aufgebracht (z.B. Siebdrucken von Metallpulver enthaltenden Tinten, Abbildung von Mustern aus mit Metallpulver beladenen Photopolymeren). Da die Schrumpfung in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Substrats (parallel zu Achse der Kompression) erfolgt, ist die Technik zur Erzeugung des Schaltungsmusters nicht auf diejenigen begrenzt, bei denen unverfestigte Pulver verwendet werden. Dünne Metalldrähte können beispielsweise als Leiterlinien bei dieser Ausführungsform dienen.
  • Es ist dem Fachmann klar, daß die Auswahl eines geeigneten Leiter/Keramik-Systems nicht nur von den letztendlichen Eigenschaften der einzelnen Bestandteile abhängt, sondern auch von deren Kompatibilität (Verträglichkeit) während der Verarbeitung. Kompatible Systeme weisen Bestandteile auf, die weder chemisch abgebaut werden noch unter den zur Verfestigung des Substrats zu einem dichten Körper notwendigen Bedingungen miteinander Wechselwirkungen eingehen. Beispiele solcher Systeme umfassen, was aber in keiner Weise einschränkend gemeint ist, Al&sub2;O&sub3;-W, Al&sub2;O&sub3;-Mo und AlN-W.
  • Nachdem die Metallmuster aufgebracht worden sind, werden BN- Platten auf die metallisierte Keramik laminiert und unter Bedingungen heißgepreßt, die zur Bindemittelentfernung und Verdichtung von sowohl der Keramik als auch dem Metall geeignet sind. Das BN ist in Fällen wesentlich, in denen Graphitwerkzeug verwendet wird, da ein direkter Kontakt zwischen dem Graphit und den meisten feuerfesten Metallen während des Erhitzens zu einer Carbidbildung führt, was die elektrische Leistung des leitfähigen Musters beeinträchtigen würde.
  • Es ist anzumerken, daß die Verwendung eines sauberbrennenden Bindemittels, d.h. Polyethylen, in der Keramik und von BN-Platten für den Erfolg dieses Verfahrens entscheidend ist, da kohlenstoffhaltige Rückstände mit der feuerfesten Metallisierung bei hohen Verarbeitungstemperaturen reagieren und unerwünschte Metallcarbide bilden.
  • Wie bei der vorherigen Ausführungsform ist eine gleichzeitige Verarbeitung mehrerer metallisierter Platten möglich, indem Stapel wie sie für die unmetallisierten Platten beschrieben sind, aufgebaut werden.
  • Wie oben erwähnt ist, bietet dieses Verfahren das Potential für erhöhte Ausbeuten, da eine seitliche Schrumpfung der Metallisierung und ein Verwinden des Substrats effektiv eliminiert worden sind. Dieses Verfahren beseitigt auch die Notwendigkeit für Additive für die feuerfeste Metalltinte, die häufig verwendet werden, um die Bindung zu dem Keramikmaterial (z.B. einer Glasfritte) zu fördern. Dies kann zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit der Metallisierung führen, da weniger Verunreinigungen an den Korngrenzen vorhanden sind, und zu einer besseren thermischen Leitfähigkeit durch die Metall/Keramik-Grenzfläche aufgrund des besseren Kontakts zwischen dem Metall und der Keramik, der bei diesem Verfahren zustandegebracht wird.
  • Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Mehrschichtkeramiksubstrat mit inneren, miteinander verbundenen Metallschaltungen in verschiedenen Schichten hergestellt. Wie bei den vorherigen Ausführungsformen besteht der Anfangs schritt darin, Keramik- und BN-Platten herzustellen, die jeweils Bindemittel enthalten, das bei Pyrolyse unter den zur Verarbeitung des Mehrschichtsubstrat notwendigen Bedingungen keinen unerwünschten Rückstand erzeugt. Mit Metall gefüllten Durchgänge werden in den Keramikplatten erzeugt, indem in den Keramikplatten Löcher gebildet werden und diese mit Metallpulvern gefüllt werden. Eine übliche Technik zur Füllung von Durchgängen ist das anschließende Siebdrucken von mit Metall gefüllter Tinte in die Löcher, wobei ein partielles Vakuum an die Unterseite des Keramikplattes angelegt wird, so daß die Tinte in die Löcher herabgesaugt wird. Dies kann jedoch mehrere Durckvorgänge pro Schicht erfordern und es ist fraglich, ob eine ausreichende Beladung des Durchgangs durch dieses Verfahren reproduzierbar erhalten wird. Ein alternatives und bevorzugtes Verfahren besteht darin, eine mit Metallpulver beladene Grünplatte unter Verwendung der gleichen Techniken (und Bindemittel) wie denjenigen, die oben zur Herstellung des Keramikplattes beschrieben sind, zu verwenden und einfach einen Stopfen aus einer mit Metall gefüllten Platte in ein zuvor gestanztes Loch in der Keramikplatte einzustanzen. Dies kann verwirklicht werden, indem eine mit Metall beladener Grünplatte direkt oberhalb der keramischen Grünplatte nach dem Stanzen eines Loches angeordnet wird und unter Verwendung einer Stanzung gleicher Größe, das Material aus dem Metallgrünband in das Keramikgrünband gezwungen wird, wobei ein zweiter Stanzvorgang verwendet wird. Dieses Verfahren erlaubt eine gleichmäßige Beladung von Metall in die Durchgänge. Es stellt auch sicher, daß die Bindemittelausbrenncharakteristika der Durchgänge und des Keramikbandes die gleichen sind.
  • Nachdem das Füllen der Durchgänge abgeschlossen ist, können die gewünschten Metallschaltungsmuster auf jede Schicht je nach Notwendigkeit aufgebracht werden, wobei zuvor für die Einschichtsubstrate beschriebene Techniken verwendet werden. Die Schichten aus metallisiertem Grünband werden anschließend auf eine Weise miteinander laminiert, die die Lagegenauigkeit der metallisierten Muster zwischen den verschiedenen Schichten beibehält. Wie bei der vorherigen Ausführungsform wird eine BN- Platte auf jede Seite der Mehrschichtstruktur laminiert und das gesamte Paket wird unter Bedingungen heißgepreßt, die für die Bindemittelentfernung und Verdichtung des Mehrschichtsubstrats erforderlich sind. Schließlich wird das BN entfernt, um dichte Keramiksubstrate mit inneren, leitfähigen Mustern zu ergeben. Es können wiederum mehrere Substrate in einem einzigen Heißpreßvorgang hergestellt werden, wobei zuvor beschriebene Techniken verwendet werden.
  • Diese Technik zur Herstellung von Mehrschichtsubstraten weist alle Vorteile auf, die oben für die Einschichtsubstrate angegeben sind. Außerdem beseitigt sie Bedenken hinsichtlich potentieller Entlaminierung der Schichten vor oder während des Sinterns (was beim herkömmlichen Sintern von Mehrschichtkeramiksubstraten auftreten kann), da der in einer Richtung angewendete Druck einen innigen Kontakt und eine Verbindung der Schichten während des Heißpressens sicherstellt.
  • Unebene Geometrien können ebenfalls unter Verwendung dieses Verfahrens erzielt werden. Es ist beispielsweise möglich, freiliegende Oberflächenhohlräume unter Verwendung des Heißpreßverfahrens herzustellen. Dies wird erreicht, indem eine BN-Platte innerhalb der Oberflächenschicht(en) des zu verfestigenden Keramikgrünkörpers vernünftig eingesetzt wird (werden). Wenn beispielsweise ein Oberflächenhohlraum erforderlich ist, kann in die Keramikplatte ein Loch der benötigen Dimensionen gestanzt und mit einem BN-Stopfen der gleichen Abmessung gefüllt werden. Das Verfahren kann mit demjenigen identisch sein, das zuvor zum Durchgangsfüllen beschrieben worden ist, ausgenommen, daß eine BN-Platte für die Metallplatte substituiert wird. Diese mit BN gefüllte Keramikplatte ist eine Außenschicht auf einer Mehrschichtvorform, die heißgepreßt werden soll. Nach dem Heißpressen kann das BN innerhalb des Hohlraums wie zuvor durch Sandstrahlen oder Auswaschen entfernt werden.
  • Die Erfindung wird anhand von Beispielen weiter erläutert.
    • Beispiel 1
  • Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendbarkeit der Heißpreßtechnologie zur Herstellung einer dichten Platte aus einer schwer zu sinternden Verbindung (AlN), der für Elektroniksubstratanwendungen wünschenswert ist.
  • Es wurde eine Formulierung aus hochreinem AlN-Pulver mit CaCO&sub3;- Zusätzen, Polyethylen und Öl hergestellt, indem die Komponenten in den in Tabelle 1 angegebenen Gewichtsprozentsätzen in eine formbare Verbindung bei ungefähr 160 ºC gemischt wurden. Alle anderen elementaren Verunreinigungen betrugen weniger als 0,02 %. Auf eine ähnliche Weise wurde eine BN-Formulierung bei ungefähr 160 ºC in den in Tabelle 1 angegebenen Gewichtsprozent sätzen compoundiert (gemischt). Die Formulierungen wurden bei ungefähr 160 ºC zu flachen Platten gepreßt und auf Abmessungen geschnitten (7,6 x 7,6 cm) (3" x 3"), die in die Graphitform passen, die beim Heißpressen der Vorformen verwendet wird. Die Dicken der Platten betrugen ungefähr 0,1016 cm (0,040") für AlN und 0,0762 cm (0,030") für BN. Die Platte wurden in ein Trichlorethanbad gegeben, um das Öl zu extrahieren, flachgepreßt und bei ungefähr 110 ºC und einem Druck von weniger als 3447 kPa (500 psi) laminiert, um einen Vorformstapel der Form BN-AlN-BN zu bilden. Dieser Stapel wurde in die Graphitform eingeführt und Graphitstempel wurden mit den BN-Schichten in Kontakt gebracht. Schlüsselelemente des Heißpreßzyklusses waren: (1) eine Temperatur, die bei 600 ºC unter Vakuum und ohne Stempeldruck gehalten wurde, um die Bindemittelentwicklung zu vereinfachen, und (2) eine maximale Temperatur von 1900 ºC und ein maximaler Stempeldruck von 6895 kPa (1000 psi) in Stickstoff, um das AlN zu verdichten. Nach dem Heißpressen wurde der Stapel aus der Form entfernt und das BN wurde leicht von den AlN-Oberflächen durch Sandstrahlen entfernt.
  • Die resultierende AlN-Platte war äußerst transluzent, was eine hohe Reinheit, eine hohe Dichte, wenig Wechselwirkung mit dem Graphitwerkzeug und die sauberbrennende Natur des Polyethylenbindemittels anzeigt. Die Oberflächenrauhheit und die Verwindung wurde auf 0,1245 mm (49 Mikroinch) bzw. 0,04 % bestimmt. Die thermische Leitfähigkeit wurde an einem dickeren Prüfstück gemessen, das nach dem gleichen Verfahren hergestellt wurde, und auf 1,8 Watt/cm ºK bestimmt. Die obigen Eigenschaften zeigen, daß Aluminiumnitridsubstrate guter Qualität durch diese Verfahrensweise hergestellt werden können, wobei sie eine Oberfläche aufweisen, die wenig oder keine weitere Bearbeitung erfordert. Tabelle 1 Zusammensetzung von Vorformen für Beispiel 1 Vorformzusammensetzung Beschreibung (Gewichts-%) Komponente AlN-Formulierung BN-Formulierung AlN-Pulver (Tokuyama Soda Grade F) CaCO&sub3;-Pulver Polyethylen Mineralöl BN-Pulver Polyethylen Mineralöl
    • Beispiel 2
  • Dieses Beispiel veranschaulicht die Möglichkeit des Co-Brennens einer anhaftenden, leitfähigen Metallisierung auf AlN unter Verwendung der Heißpreßtechnologie.
  • Es wurde eine Platte aus AlN mit Polyethylenbindemittel für das Heißpressen gemäß Beispiel 1 hergestellt, wobei die in Tabelle 2 angegebene Formulierung verwendet wurde. Es wurden außerdem BN- Platten gemäß Beispiel 1 hergestellt. Nach der Extraktion und vor der Laminierung wurden W-Metallmuster auf die AlN-Platten durch Siebdrucken von W-Tinte aufgebracht. Die Tinte wurde hergestellt, indem die in Tabelle 3 angegebenen Bestandteile gemischt wurden, bis eine glatte, gleichmäßige Konsistenz erzielt wurde. Die metallisierte AlN-Platte wurde wie in Beispiel 1 auf eine BN-Platte laminiert und gemäß Beispiel 1 heißgepreßt, ausgenommen, daß die Maximumtemperatur 1700 ºC betrug. Die dichte AlN-Platte wurde durch Sandstrahlen gereinigt, um eine dichte AlN-Platte mit einer leitfähigen W-Metallisierung auf ihrer Oberfläche zu erhalten. Das Metallmuster zeigte kein Anzeichen einer seitlichen Verschiebung und haftete (wie durch die Tatsache belegt ist, daß es während des Sandstrahlens intakt blieb). Der Plattenwiderstand der W-Metallisierung wurde auf 11 Milliohm/Quadrat bestimmt. Tabelle 2 Zusammensetzung von Vorformen für Beispiel 2 Vorformzusammensetzung Beschreibung (Gewichts-%) Komponente AlN-Formulierung AlN-Pulver (H.C. Starck Grade A) CaCO&sub3;-Pulver Polyethylen Mineralöl Tabelle 3 Zusammensetzung von W-Tinte für Beispiel 2 Zusammensetzung Beschreibung (Gewichts-%) Komponente W-Tintenformulierung W-Pulver - 1,7um durchschnittliche Teilchengröße Ethycellulose α-Terpineol Dispergiermittel (Troykyd 98-C)
    • Beispiel 3
  • Dieses Beispiel veranschaulicht die Möglichkeit, ein AlN-Substrat mit einer verdeckten, elektrisch leitfähigen W-Metallisierung herzustellen, wobei das Heißpreßverfahren verwendet wird. Das verdeckte Muster wird elektrisch mit der Oberfläche durch mit W gefüllte Durchgangslöcher (Durchgänge) verbunden, die unter Verwendung der neuen Durchgangsfülltechnologie hergestellt wurden.
  • Es wurden AlN- und BN-Platten gemäß Beispiel 1 mit Dicken von ungefähr 0,127 cm (0,050") für die AlN-Platte und 0,0762 cm (0,030") für die BN-Platte hergestellt. 0,127 cm (0,050") Platte von W wurden hergestellt, indem W-Pulver (96,5 %), Polyethylen (0,7 %) und Öl (2,8 %) bei ungefähr 160 ºC gemischt wurden. Die Ölextraktion der W-Platte wurde bewirkt, indem die Platte in Hexan eingeweicht wurde. Die Extraktion aus der AlN- und BN- Platte wurde in Trichlorethan bewirkt.
  • AlN-Substrate mit verdeckten W-Schaltungsmustern, die sich zur Substratoberfläche erstrecken, wobei W-Durchgänge verwendet werden, die senkrecht zu den Substratoberflächen verlaufen, wurden auf die folgende Weise hergestellt. Zuerst wurden Löcher mit einem Durchmesser von 0,0635 cm (0,025") durch die AlN-Platten unter Verwendung eines zylindrischen Stabes des gleichen Durchmessers gestanzt. Diese Löcher wurden mit dem W-Plattematerial gefüllt, indem die W-Platte über die AlN-Platte gelegt wurde und das W-Material durch den gleichen Stanzvorgang in die Löcher gezwungen wurde. Dieses Verfahren wird durchgeführt, um eine Reihe von mit W gefüllten Löchern in zwei AlN-Grünplatten herzustellen. Ein Schaltungsmuster wurde dann auf die Oberfläche dieser AlN-Platte unter Verwendung von W-Tinte so siebgedruckt, daß die Enden der siebgedruckten W-Linien mit den W-Durchgängen verbunden waren. Nach dem Siebdrucken wurde eine zweite AlN- Platte auf jede metallisierte Platte laminiert, so daß die siebgedruckten Muster sandwichartig zwischen AlN-Schichten mit W- Durchgängen, die aus einer Seite vorstehen, angeordnet wurden. Anschließend wurden BN-Platten auf die beiden AlN-Vorformen laminiert, um einen Stapel der Form BN-AlN-BN-AlN-BN herzustellen. Dieser Stapel wurde gemäß den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen heißgepreßt. Nach Entfernung aus der Form wurden die Substrate leicht getrennt und durch Sandstrahlen gereinigt.
  • Die resultierenden Substrate waren äußerst transluzentes AlN, das leicht die Anordnung der bedeckten W-Muster zeigte. Diese Metallisierung hatte einen niedrigen elektrischen Widerstand (ungefähr 10 Milliohm/Quadrat), was über die vorstehenden W- Durchgänge gemessen wurde.
    • Beispiel 4
  • Dieses Beispiel veranschaulicht die Möglichkeit, ein Al&sub2;O&sub3;-Substrat mit einer verdeckten, elektrisch leitfähigen W-Metallisierung unter Verwendung der Heißpreßtechnik herzustellen. Es zeigt auch die Durchgangstechnologie und die Möglichkeit, Oberflächenhohlräume in den heißgepreßten Substraten so herzustellen, daß die verdeckte Metallisierung innerhalb des Hohlraums freigelegt sein kann.
  • Es wurden Al&sub2;O&sub3;-Platten hergestellt, indem die in Tabelle 4 angegebenen Komponenten in eine formbare Verbindung gemischt wurden und bei ungefähr 160 ºC zu flachen Platten gepreßt wurden. Tabelle 4 Zusammensetzung von Vorformen für Beispiel 4 Zusammensetzung Beschreibung (Gewichts-%) Komponente Al&sub2;O&sub3;-Formulierung Al&sub2;O&sub3;-Pulver SiO&sub2;-Pulver MgO-Pulver Polyethylen Mineralöl
  • Es wurden BN-Platten gemäß Beispiel 1 hergestellt und es wurde eine W-Platte gemäß Beispiel 3 hergestellt. Die Dicken der Al&sub2;O&sub3;- Platten, W-Platten und BN-Platten betrugen ungefähr 0,127 cm (0,050 inch). Eine Reihe von mit W gefüllten Löchern wurde in einer Al&sub2;O&sub3;-Platte unter Verwendung des in Beispiel 3 beschriebenen Verfahrens hergestellt. Dann wurde ein Schaltungsmuster auf diese Al&sub2;O&sub3;-Platte unter Verwendung von W-Tinte (hergestellt gemäß Beispiel 2) siebgedruckt, so daß die Enden der siebgedruckten W-Linien mit den W-Durchgängen in Verbindung standen. In eine zweite Al&sub2;O&sub3;-Platte wurde ein quadratisches Loch (ungefähr 1,27 cm (½ inch) an einer Seite) gestanzt und mit BN-Plattematerial unter Verwendung der gleichen Stanztechnik wie der jenigen gefüllt, die zuvor zur Herstellung der mit W gefüllten Löcher verwendet wurde. Diese mit BN gefüllte Al&sub2;O&sub3;-Platte wurde auf die metallisierte Al&sub2;O&sub3;-Platte laminiert, so daß das siebgedruckte W-Muster sandwichartig zwischen den beiden Al&sub2;O&sub3;-Schichten angeordnet war. Dieser Stapel wurde bei einer Temperatur von 1600 ºC mit einem Stempeldruck von ungefähr 6895 kPa (1000 psi) in einer Argonatmosphäre heißgepreßt. Nach Entfernung aus der Form wurde das BN von der Al&sub2;O&sub3;-Oberfläche durch Sandstrahlen entfernt.
  • Das resultierende Al&sub2;O&sub3;-Substrat war transluzent und zeigte keine bemerkbare seitliche Verzerrung des Oberflächenhohlraums. Die Metallisierung haftete innerhalb des Hohlraums und besaß einen Plattenwiderstand von ungefähr 11 Milliohm/Quadrat.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung dichter, keramischer Elektroniksubstrate mit dichtem, leitfähigem Metallschaltungsmuster (dichten, leitfähigen Metallschaltungsmustern) auf der (den) Oberfläche(n), bei dem:
(a) keramische Grünplatten hergestellt werden, die keramisches Pulver und Polyethylen umfassen,
(b) das (die) gewünschte(n) Metallschaltungsmuster mit einem geeigneten Metall, das mit dem keramischen Material verträglich ist, auf die keramischen Platten aufgebracht wird (werden), vorzugsweise durch Siebdrucken einer Metallpaste,
(c) Bornitridgrünplatten auf jeder Seite der keramischen Platte mit dem (den) Metallschaltungsmuster(n) aus (b) angeordnet werden, vorzugsweise durch Laminieren einer Bornitridplatte auf jede Seite des Composits
(d) die metallisierten Platten unter Bedingungen heißgepreßt werden, die notwendig sind, um sowohl das Keramikpulver als auch die Metallpulver zu verdichten, und
(e) die BN-Schichten von den Seiten der dichten keramischen Platte entfernt werden.
2. Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung von mehreren metallisierten, dichten, keramischen Schichten nach Anspruch 1, bei dem Bornitridplatten, bevor Schritt (d) erfolgt, benachbart zu den metallisierten keramischen Platten angeordnet werden, um einen Stapel der Form BN-metallisiertes keramisches Material-(BN-metallisiertes keramisches Material-)x-BN herzustellen, wobei x eine positive Zahl ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Keramikpulver hauptsächlich AlN oder Al&sub2;O&sub3; ist und das Metall W ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die keramische Grünplatte in (a) hergestellt wird, indem:
(i) Keramikpulver, Polyethylen und Öl gemischt werden und die Mischung bei einer erhöhten Temperatur compoundiert wird, um das Schmelzen des Polyethylens zu vereinfachen,
(ii) die compoundierte Mischung aus (i) durch Extrusion durch eine Düse geformt wird, um Platten zu bilden, und
(iii) das Öl durch Extraktion mit organischem Lösungsmittel entfernt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Bornitridplatten aus (b) hergestellt werden, indem:
(i) Bornitridpulver, Polyethylen und Öl gemischt werden und die Mischung bei einer erhöhten Temperatur compoundiert wird, um das Schmelzen des Polyethylens zu vereinfachen,
(ii) die compoundierte Mischung aus (i) durch Extrusion durch eine Düse geformt wird, um Platten herzustellen, und
(iii) das Öl durch Extraktion mit organischem Lösungsmittel entfernt wird.
6. Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen, keramischen Elektroniksubstraten mit inneren, miteinander verbundenen Metallschaltungen auf den verschiedenen Schichten, bei dem:
(a) keramische Grünplatten hergestellt werden, die Keramikpulver und Polyethylen umfassen,
(b) in der (den) keramischen Platte(n) aus (a) mit Metall gefüllte Durchgänge erzeugt werden, indem in die keramische(n) Platte(n) Löcher gestanzt werden und mit Metallpulvern gefüllt werden,
(c) die gewünschten Metallschaltungsmuster auf die keramischen Platten aus (b) aufgebracht werden,
(d) die gewünschte Zahl von keramischen Platten aus (c) auf eine Weise zusammenlaminiert werden, die die Lagegenauigkeit der metallisierten Muster und Durchgänge auf den verschiedenen Schichten auf rechterhält, um einen mehrschichtigen, keramischen Metallgrüncomposit zu bilden,
(e) auf jeder Seite des Composits aus (d) Bornitridplatten angeordnet werden, vorzugsweise durch Laminierung der Bornitridplatten auf jede Seite der keramischen Grünplatte,
(f) das BN-Composit-BN-Produkt aus (e) unter Bedingungen heißgepreßt wird, die notwendig sind, um die Bindemittelentfernung zu erleichtern und sowohl das Keramikpulver als auch das Metallpulver zu verdichten, und
(g) die BN-Schichten auf jeder Seite der dichten, keramischen Platte entfernt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die keramische Grünplatte aus (a) hergestellt wird, indem:
(i) Keramikpulver, Polyethylen und Öl gemischt werden und die Mischung bei einer erhöhten Temperatur compoundiert wird, um das Schmelzen des Polyethylens zu vereinfachen,
(ii) die in (i) compoundierte Mischung durch Extrusion durch eine Düse geformt wird, um Platten zu bilden, und
(iii) das Öl durch Extraktion mit organischem Lösungsmittel entfernt wird.
8. Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung einer Vielzahl von Mehrschichtkeramiksubstraten nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem Bornitridplatten, bevor Schritt (f) erfolgt, benachbart zu den mehrschichtigen Keramik/Metall-Compositen aus (d) angeordnet werden, um einen Stapel der Form BN-Composit-[BN-Composit]x-BN herzustellen, wobei x eine positive Zahl ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Keramikpulver AlN oder Al&sub2;O&sub3; ist und das Metall W ist.
10. Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger, keramischer Elektroniksubstrate nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem Schritt (b) durch die folgenden Schritte ersetzt wird:
(i) Metallpulver enthaltende Platten hergestellt wird, die metallische Pulver und Polyethylen umfassen, und
(ii) in die keramischen Grünplatten aus (a) ein Loch (Löcher) gestanzt werden, anschließend die Metallpulver enthaltenden Platten aus (i) gegen die keramischen Grünplatten gelegt werden und das Metall enthaltende Material durch einen Stanzvorgang in das Loch (die Löcher) in den keramischen Grünplatten gedrückt wird.
11. Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger, keramischer Elektroniksubstrate nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem Oberflächenhohlräume in den Substraten hergestellt werden, indem:
(i) ein Loch (Löcher) in die keramischen Platten aus (a) gestanzt werden, die an der Oberfläche des Composits aus (d) liegen, und
(ii) die Löcher aus (i) mit BN-Band-Material ähnlicher Dicke gefüllt werden, bevor in (d) die Laminierung der Schichten erfolgt.
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