DE60220687T2

DE60220687T2 - Ungesintertes niedertemperaturglaskeramikband für elektronische mikrobauteile, verfahren zur herstellung und verwendung

Info

Publication number: DE60220687T2
Application number: DE60220687T
Authority: DE
Inventors: Frans P. Collegeville LAUTZENHISER; Thomas J. Downingtown HOCHHEIMER; Edmar M. King of Prusia AMAYA
Original assignee: Heraeus Inc
Current assignee: Heraeus Inc
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: JP4160901B2; US6949156B2; EP1432664A2; DE60220687D1; WO2003029166A2; ATE364584T1; JP2005504656A; US20040159390A1; AU2002327799A1; EP1432664B1; WO2003029166A3; US6743534B2; US20030087136A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Das Co-Sintern oder Brennen von laminierten Keramik-Tapes ist ein bekanntes Modulherstellungsverfahren in der Mikroelektronikindustrie. Der Begriff „Low-Temperature Co-fired Ceramic (LTCC)" bezieht sich auf eine Technologie zur Ausbildung von Mehrschicht-Keramikschaltungen. Bei dieser Methode wird aus Glas- und Keramikpulvern, die gleichmäßig in einem organischen Bindemittel dispergiert sind, ein Tape gebildet. Typischerweise werden zwei oder mehr Lagen dieses Tapes für die Ausbildung einer Schaltung zusammen laminiert. Um elektrische Verbindungen von einer Tape-Schicht zur nächsten auszubilden, werden durch das Tape Via-Bohrungen gestanzt und mit einer leitenden Dickschichtpaste gefüllt, wie beispielsweise in US-Patent Nr. 4,654,095 von Steinberg beschrieben.
Im nächsten Schritt werden Dickschichtpasten (Dispersionen von Metall-, Keramik- oder Glaspulvern in leicht zu verflüchtigenden organischen Bindemitteln), welche Komponenten von elektronischen Schaltungen, beispielsweise Leiter oder Widerstände, bilden, mittels Siebdruck auf das Tape aufgebracht. Wenn alle zur Bildung der vollständigen Schaltung erforderlichen Tape-Schichten hergestellt sind, werden die Tape-Stücke ausgerichtet, um zu gewährleisten, dass zwischen den Via-Verbindungen einer Schicht und den Leiterbahnen oder Via-Verbindungen der nächsten Schicht ein Kontakt hergestellt wird. Danach werden die Tape-Schichten mittels einer Kombination aus Wärme und Druck laminiert, um so einen einzelnen Grünkörper zu bilden, d.h. eine Struktur, welche von organischen Bindemitteln, wie beispielsweise Polyvinylbutyral- oder Polyvinylacrylat-Materialien, zusammengehalten wird.
Um den endgültigen keramischen Körper zu bilden, wird der Grünkörper mit einem Brennprofil gebrannt, in welchem typischerweise vor der Rückkehr zur Umgebungstemperatur eine Spitzentemperatur von rund 850 °C bis 900 °C erreicht wird. In einem zwischen ca. 350 °C und 450 °C liegenden Temperaturbereich werden die organischen Bindemittel, die dem Grünkörper Festigkeit verleihen, verdampft oder ausgebrannt. Damit die verdampften Gase ausreichend Zeit zum Entweichen haben, wird die Rampenrate (Änderung der Temperatur pro Zeiteinheit) des Profils in diesem Temperaturbereich häufig reduziert.
Über der Ausbrandtemperatur wird die Rampenrate des Brennprofils erhöht und das Teil erhitzt, bis es die Spitzenbrenntemperatur erreicht. Das LTCC-Tape enthält typischerweise eine signifikante Menge an Glas, mit der ein Glaserweichungspunkt T_g zusammenwirkt. Die Glas- und Keramikpulver beginnen zu sintern und so einen dichten Körper zu bilden, sobald die Temperatur über den Erweichungspunkt des LTCC-Glasmaterials steigt, so dass die Spitzenbrenntemperatur des Tapes typischerweise 100 °C bis 200 °C über Tg beträgt. Die in dem Schaltungskörper für Leiter und Widerstände eingesetzten Dickschichtmaterialien werden eine ähnliche Metamorphose von organisch gebundenen Pulvern zu dicht gesinterten Strukturen durchlaufen. Die Teile dürfen so lange auf Spitzenbrenntemperatur bleiben, bis sie einen ausreichend dichten Körper gebildet haben, und werden dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die Herstellung von LTCC-Tapes erfolgt typischerweise mit Hilfe von Tape-Casting-Techniken, wie sie beispielsweise in US-Patent Nr. 5,821,181 von Ursula et al. beschrieben sind. Bei diesem Verfahren wird Keramikschlicker (eine Mischung aus anorganischen und organischen Bestandteilen des Tapes vor dem Trocknen) mit Hilfe eines Rakelmessers auf die Oberfläche einer Polyesterfolie oder eines Polyesterträgers abgeschieden. Die Anwendung von Tape-Casting-Techniken hat bei der Tape-Herstellung den Nachteil, dass es schwierig ist, die Dicke zu steuern, während das Tape immer dünner wird. Insbesondere werden die Dicke, die Genauigkeit und die Varianz beim Gießen unter 2 mil (50 Mikrometer) unsicher, ein Maß, welches sich auf die Lücke zwischen dem Messer und dem Substrat beim Hindurchleiten des nassen Schlickers bezieht. Daher wird die Steuerung der Dicke der Schichten, insbesondere der inneren Schichten, schwierig und häufig ungenau.
Ein genaues Gießen der einzelnen Schichten ist zwar erreichbar, das in US-Patent Nr. 5,102,720 beschriebene Verfahren zum individuellen Trocknen der einzelnen Tapes und anschließenden Laminieren aller Tapes im Ganzen ist jedoch unwirtschaftlich. Somit lassen Verfahren, bei denen einzelne Schichten getrocknet und unter Hitze und Druck laminiert werden oder eine nachfolgende Schicht auf die Oberfläche einer trockenen Schicht gegossen wird, nicht nur beträchtliche Kosten im Herstellungsprozess entstehen, sondern führen auch zu einer eingeschränkten Produktausbeute.
Bei anderen Herstellungsverfahren wird eine sich bewegende Trägerfolie in einen Schlicker getaucht, um einen Meniskus zwischen der Trägerfolie und dem Schlicker zu erzeugen. Jedoch bewirkt der durch Kapillarkräfte zwischen dem nassen organischen Bindemittel und der Schicht erzeugte Meniskus, dass er auf der Oberfläche der Polyesterfolie haften bleibt. Wie bei anderen Verfahren ist es auch hier notwendig, jeweils nur eine Schicht zu trocknen und danach eine nasse Schicht auf die Oberfläche einer trockenen Schicht zu gießen oder anschließend eine Heißlaminierung durchzuführen. Aufgrund der Nachteile von bekannten Verfahren für die Herstellung von LTCC-Tapes bleibt in der Technik eine Nachfrage nach einem verbesserten und wirtschaftlichen Verfahren für die Herstellung von LTCC-Tapes bestehen, welches eine maximale Produktausbeute erlaubt und die Steuerung der Schichtdicke innerhalb enger Grenzen ermöglicht.
Die LTCC-Technologie hat sich ihren Weg über die Industrie der mikroelektronischen Schaltung hinaus gebahnt und wird gegenwärtig in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Eine wichtige Eigenschaft von LTCC ist die Fähigkeit, dreidimensionale Strukturen mit Hilfe mehrerer Tape-Schichten zu erzeugen. Im Bereich der biomedizinischen Geräte wird LTCC beispielsweise für die Herstellung von Kavitäten und Kanälen für Pumpen mit beweglichen Teilen verwendet, die in Systemen für die in-situ-Abgabe von Medikamenten Verwendung finden. Umgesetzt wurden auch biologische Testmodule, die das automatische Testen von biologischen und chemischen Substanzen ermöglichen.
Im Bereich der Telekommunikation werden integrierte optoelektronische Module benötigt. Mit LTCC kann das Co-Sintern von Glasfasern zusammen mit der Antriebselektronik auf einfache Weise ermöglicht werden. Das gemeinsame Brennen („Cofiring") von Strukturen im Mesoskalenbereich, welche Metallisierungen, Kavitäten, Vias und Kanäle enthalten, ist daher eine vorteilhafte Eigenschaft von LTCC.
LTCC-Mesosysteme sind kleine Pakete, die in der Lage sind, mittels Sensoren, Aktoren, Anschlüssen, Steuerungs- und/oder Signalverarbeitung mindestens zwei Medien zu handhaben, beispielsweise Elektrizität und Flüssigkeiten. Einer der stärksten Antriebe dieser Technologie ist die Miniaturisierung, so dass die SIP-Integrationsmethode (SiP, System-in-Package) möglich wird, bei der mehrere Komponenten in einen Monolithen eingesetzt werden.
Eine attraktive Eigenschaft von LTCC-Tapes ist die Möglichkeit, Kavitäten herzustellen, in denen integrierte Schaltungen platziert werden können. Wie in 1A gezeigt, enthält ein einzelnes Elektronikmodul 15 beispielsweise eine Kavität 15A, eine metallische Via-Bohrung 15B und eine metallische Leitungsbahn 15C auf der Oberfläche des Keramikmonolithen. 1B zeigt einen Nutzenbereich 17, der eine Anordnung von mikroelektronischen Modulen 15 enthält. Der Nutzen 17 wird typischerweise im Ganzen gebildet und verarbeitet und anschließend in einzelne Module 15 geschnitten.
Durch Kavitäten ist ein niedriges Profil für das Modul möglich, wobei darauf zum hermetischen Abschließen ein Deckel gelegt werden kann. Bei der Sinterung von Oberflächen oder bei der schwindungshemmenden Sinterung („constrained sintering") von Opferstrukturen weisen, wie unten erläutert, die Wände der Kavitäten ein „Verjüngung" („Necking") genanntes Phänomen auf, also eine vertikale Krümmung von der Phasengrenze der Oberfläche zum Boden der gebrannten Substratfläche. Bei der Sinterung von schwindungshemmenden Opferstrukturen entsteht aufgrund der Scherspannungen und der in der gleichen Ebene wirkenden Zugspannungen eine Spannungsverteilung von oben nach unten. Es wurde gezeigt, dass die Spannungen an der Schwindungshemmungs-Phasengrenze beträchtlich höher sind. Bei einer Bewegung entlang der Z-Achse hin zur Mitte des gebrannten Substrats werden die schwindungshemmenden Kräfte, die den in gleicher Ebene wirkenden Zugspannungen entgegenwirken, geringer. Daher ist die Verdichtung in der Mitte des Monolithen beträchtlich stärker, was die vertikale Krümmung verursacht. Infolge der höheren Spannungsverteilung an der Phasengrenze ist darüber hinaus üblicherweise eine Delamination oder Wölbung vorhanden. Die oben erwähnten Eigenschaften sind nicht wünschenswert, besonders nicht bei der Konstruktion von Kavitäten oder anderen Präzisionsmerkmalen in den keramischen Strukturen.
Trotz der zahlreichen Anwendungen der LTCC-Technologie weist der LTCC-Prozess mehrere Nachteile auf. Zunächst ergeben sich beim Sintern signifikante Veränderungen der Abmessungen der keramischen Monolith-Struktur. Wenn sich die Pulverbestandteile der LTCC-Struktur beim herkömmlichen nicht-schwindungshemmenden („unconstrained") oder freien Sintern verdichten, findet insbesondere eine Schwindung in allen Dimensionen statt. Typischerweise wird die Schwindung des Tapes in seiner Breite oder Länge (also in X- oder Y-Richtung) nahezu identisch mit der Schwindung durch die Dicke des Stapels der Tape-Schichten (Z-Richtung) sein und sich nur geringfügig von derselben unterscheiden. Gewöhnlich betragen die Abmessungen der Struktur nach dem Brennen rund 84% bis 87% der Größe im ungebrannten grünen Zustand. Diese Veränderung und die damit verbundenen Schwankungen führen zu mehreren Nachteilen bei der Anwendung der konventionellen LTCC-Technologie.
Zunächst erfordert die Schwindung in X-Y-Richtung, S_xy, dass der Bereich des grünen Tapes, das für die Herstellung einer Schaltung mittels freier Sinterung oder „unconstrainedsintering"-Technik Verwendung findet, um einen Faktor von 1/(1–S_xy)² größer ist als der ge brannte Endbereich. Folglich sollte der für die Herstellung einer frei gesinterten Schaltung verwendete grüne Tape-Bereich rund 25% bis 40% größer sein als die endgültige Schaltung.
Ein zweiter Nachteil bei der nicht-schwindungshemmenden Sinterung ist der Verlust der Geometriegenauigkeit, welcher bei frei gesinterten Schaltungen auftritt. Dieser Genauigkeitsverlust verringert die Fähigkeit, große Anzahlen von mikroelektronischen Einzelteilen oder individuelle Module in einer einzigen LTCC-Nutzengröße herzustellen, d.h. in der Größe einer großen Anordnung von Modulen, die in einem einzigen LTCC-Substrat gebaut sind. Diese Größe ist insbesondere aufgrund der Schwindung in den Planarrichtungen (X und Y), normalerweise 10% bis 15%, und deren Toleranzen, typischerweise rund ±0,2% bis ±0,4%, begrenzt. Diese Toleranzen werden um so problematischer, je größer die LTCC-Schaltung oder die auf der Schaltung bestückten Geräte werden oder je geringer der Verbindungsabstand (der Abstand zwischen Verbindungen auf einem Paket) wird. Betragen die Abmessungen einer Nutzengröße beispielsweise 8 in × 8 in (203 mm × 203 mm), würden derartige Toleranzen zu einer Positionsunsicherheit von ungefähr ±16 mil (41 μm) führen.
Beim Brennen bewirkt die Schwindungsunsicherheit des LTCC eine Veränderung der äußeren Merkmale in Bezug auf die vorgegebene Nominalposition. Druckvorlagen, die für Nachbrennvorgänge verwendet werden, wie beispielsweise beim Aufdrucken von nachgebrannten Leitern oder Widerständen oder zum Aufdrucken von Lötzinn auf Leiterbahnen, basieren auf der vorgegebenen Nominalposition. Ein übermäßiger Abstand zwischen der tatsächlichen gebrannten Position eines Schaltungsmerkmals und der Nominalposition kann Schaltungsausfälle verursachen, wenn beispielsweise kein ausreichender elektrischer Kontakt hergestellt wird, was von zu wenigen Via-Verbindungen oder von Fehlausrichtungen zwischen den Schichten aufgrund einer Schwindungsunsicherheit herrühren kann. Obwohl Druckvorlagenmerkmale vergrößert werden können, um derartige Schwindungstoleranzen auszugleichen, kann daraus außerdem eine Schaltungsdichte resultieren.
Die oben erwähnten Probleme, die die Fähigkeit zum gemeinsamen Brennen („Cofiring") von eingebetteten Komponenten und/oder zum Erzeugen verzugsfreier Kavitäten in einem Keramikmonolithen verringern, haben in der Mikroelektronikindustrie dazu geführt, dass auf schwindungshemmende Techniken zurückgegriffen wird, um die Abmessungsunsicherheit von Keramik-Nutzen beim Brennvorgang zu reduzieren. In der Industrie wurde und wird bei dem Versuch, das Schwindungsproblem anzupassen oder zu umgehen, eine Reihe derartiger schwindungshemmender Verfahren verwendet.
Beispielsweise sind die druckunterstützte Sinterung und die Anwendung von äußeren Belastungen auf der Oberfläche von keramischen Tape-Modulen in US-Patent Nr. 4,340,436 beschrieben. Die Verwendung einer am Rand eines Keramik-Nutzens umlaufenden mechanischen Klemmung, die die X-Y-Dimensionen desselben enthalten, wird im Europäischen Patent Nr. 0 243 858 erörtert.
Derartige Methoden bringen mehrere potentielle Probleme und Nachteile für den Hersteller mit sich. Da das Vorhandensein der Hufspannplatte Funktionsmängel in jeglichen Leitern oder Widerständen, die in direktem Kontakt mit der Oberfläche des LTCC stehen, verursachen kann, muss die Kontaktgeometrie der Aufspannplatte sorgfältig kontrolliert und an dem grünen Tape ausgerichtet werden. Durch die Anwendung mechanischer Klemmtechniken können unterschiedliche Aufspannplattenausführungen für unterschiedliche Schaltungen erforderlich sein. Schließlich muss für jede durch schwindungshemmende Struktur, die in einer Charge gebrannt wird, eine separate Aufspannplatte verwendet werden.
Alternativ ist in US-Patent Nr. 6,139,666 der Gebrauch von porösen Kontaktbögen beschrieben, die an den LTCC-Nutzen angebracht werden und nach dem Sintern einfach entfernt werden können. Wie in US-Patent Nr. 6,205,032 und in der US-Patentanmeldungsschrift Nr. 2001/0018797 beschrieben, wurde außerdem versucht, einen schwindungshemmenden Keramikkern zu verwenden, der die Schwindung der angebrachten Schichten mit Hilfe von nachfolgenden Brennvorgängen hemmt.
Bei einer weiteren Technik zum Hemmen der Schwindung der X-Y-Geometrie von LTCC-Schaltungen werden schwindungshemmende Opfer-Tape-Schichten auf den oberen und unteren Flächen des Körpers der LTCC-Schaltung laminiert. Diese Technik wird beispielsweise in US-Patent Nr. 5,085,720; 5,254,191; 5,383,474 und 5,474,741 beschrieben (alle von Mikeska et al.). Die Opfer-Tape-Schichten werden aus porösem feuerfesten Hochtemperatur-Keramikpulver gebildet, das als solches während des LTCC-Brennvorgangs nicht sintern wird. Da das Opfer-Tape während des Brennprofils nicht sintert und verdichtet, behält es die Geometrie seines grünen Zustands bei.
Damit jedoch das feuerfeste Opfer-Tape die Schwindung der X-Y-Geometrie des darunter liegenden LTCC-Tapes hemmen kann, sollten mindestens zwei Bedingungen erfüllt sein. Zunächst muss zwischen den beiden Tape-Materialien eine ausreichende Reibung vorhanden sein, damit die Materialien mechanisch verbunden werden. Zum Zweiten dürfen glasige Bestandteile des LTCC-Tapes, welche den feuerfesten Bestandteil des Opfer-Tapes während des LTCC-Brennprofils auflösen könnten und so dessen Sintern und Verdichten ermöglichen würden, die Opfer-Tape-Schicht nicht tränken.
Alle oben erwähnten Methoden zur Schwindungshemmung von außen besitzen beträchtliche Nachteile. Beispielsweise werden bei der druckunterstützten Sinterung mit umlaufender Schwindungshemmung eine spezielle Ausführung des Ofens oder äußere Geräte benötigt, um eine Schwindung des keramischen Materials mechanisch zu verhindern. Bei anderen Verfahren müssen für die Ausbildung des Tapes für Kavitäten feuerfeste poröse Keramikformen hergestellt werden.
Schließlich bestehen für Hersteller, die mit Opfer-Tape-Prozessen arbeiten, mehrere potentielle Probleme. Nach dem Brennen muss die Opfer-Tape-Schicht ausreichend vollständig von dem Schaltungskörper entfernt werden, um die nachfolgenden Herstellprozesse nicht zu stören; dies darf aber auch nicht so aggressiv geschehen, dass der restliche LTCC-Körper beschädigt wird. Wie die Hufspannplatte bei der mechanischen Klemmtechnik kann auch das Opfer-Tape inkompatibel mit den Leitern oder Widerständen sein, die möglicherweise auf die Oberfläche des LTCC-Schaltungskörpers gesetzt werden. Daher müssen diese Oberflächenmerkmale aufgedruckt und gebrannt werden, nachdem die Opferschicht entfernt worden ist, was die Anzahl der Verarbeitungsschritte an der Fertigungslinie erhöht und auch zu höheren Kosten für aufeinanderfolgende Brennvorgänge führt (Ofenkosten). In Bezug auf die Prozessausbeute und die Einfachheit des Prozesses wäre es vorzuziehen, diese Merkmale auf das grüne Tape aufzudrucken und sie zusammen mit dem restlichen Schaltungskörper gemeinsam zu brennen („Cofiring"). Da das Opfer-Tape außerdem nach dem Brennen faktisch keine mechanische Festigkeit besitzt, kann es nicht in den Körper der LTCC-Schaltung integriert werden. Dies mindert die Dicke der Körper, deren Schwindung mit diesem Verfahren gehemmt werden kann, da der Grad der Schwindungshemmung mit ansteigender Entfernung von der schwindungshemmenden Schicht niedriger wird. Schließlich können die Kontaktbögen des feuerfesten keramischen Opfer-Tapes die Oberflächen des LTCC-Tapes kontaminieren, und die Entfernung oder das Abstauben und die Entsorgung des Opfer-Tapes tragen zu den Kosten des einzelnen Moduls bei und reflektieren diese.
In der Technik besteht nach wie vor eine Nachfrage nach einem Verfahren für eine schwindungshemmende Sinterung für keramische LTCC-Materialien, welches die Nachteile und Einschränkungen der gegenwärtig angewendeten Verfahren vermeidet. Eine derartige Technologie muss gewährleisten, dass die beim Stanzen der Via-Bohrungen und beim Bedrucken festgelegten X-Y-Abmessungen beim Einbrennen bestehen bleiben. Außerdem sollte das Verfahren die Abmessungsunsicherheit in Keramikteilen verringern und viele der Schritte für die Entwicklung und Herstellung von Schaltungen, welche zur Vermeidung von Abmessungsfehlern und Fehlanpassungen erforderlich sind, überflüssig machen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Es ist ein monolithisches Grünkörper-Tape mit einer X-Y-Ebene und einer Dicke in Z-Richtung für die Verwendung in LTCC-Verfahren (Low-Temperature Ceramic Cofiring, gemeinsames Brennen von keramischen Materialien bei niedriger Temperatur) vorgesehen. Das Tape umfasst wenigstens eine Niedertemperatur-Keramikschicht, welche Partikel eines ersten keramischen Materials, eines ersten Glasmaterials und eines ersten organischen Bindemittels enthält, sowie wenigstens eine selbsthemmende („self-constrained") Schicht, welche Partikel eines feuerfesten keramischen Materials, eines Benetzungsmittels für das erste Glasmaterial und eines zweiten organischen Bindemittels enthält. Das feuerfeste keramische Material wird nicht bei einer Sintertemperatur der Niedertemperatur-Keramikschicht sintern, so dass sich beim Brennen des Grünkörper-Tapes bei der Sintertemperatur der Niedertemperatur-Keramikschicht die Schichten ohne Anwendung einer äußeren Schwindungshemmvorrichtung in Z-Richtung verdichten, die Schwindung in der X-Y-Ebene jedoch unter 1% liegt.
Es ist eine dichte, monolithische, selbsthemmende Mehrkomponenten-LTCC-Struktur vorgesehen, welche einen Stapel aus wenigstens zwei Mehrschicht-Keramiksubstraten umfasst, insbesondere die oben erwähnten monolithischen Grünkörper-Tapes, die jeweils wenigstens ein darauf oder darin angebrachtes elektronisches Schaltungsbauelement umfassen. Jedes Substrat umfasst wenigstens eine Niedertemperatur-Keramikschicht, welche gesinterte Partikel eines ersten keramischen Materials und eines ersten Glasmaterials enthält, sowie wenigstens eine selbsthemmende Schicht, welche Partikel eines feuerfesten keramischen Materials und ein Benetzungsmittel für das erste Glasmaterial enthält. Das feuerfeste keramische Material und das Benetzungsmittel sind wenigstens teilweise mit dem ersten Glasmaterial verschmolzen.
Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Mehrschicht-Grünkörper-Tapes vorgesehen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

(a) Ausbilden eines ersten Schlickers, welcher Partikel eines ersten keramischen Materials, eines ersten Glasmaterials, eines ersten organischen Bindemittels und eines ersten Lösungsmittels umfasst,
(b) Ausbilden eines zweiten Schlickers, welcher Partikel eines feuerfesten keramischen Materials, eines zweiten organischen Bindemittels und eines zweiten Lösungsmittels umfasst,
(c) Abscheiden einer ersten Schicht eines Schlickers aus dem ersten bzw. zweiten Schlicker durch eine Breitschlitzdüse auf einen Träger,
(d) Abscheiden einer zweiten Schicht des jeweils anderen Schlickers aus dem ersten bzw. zweiten Schlicker durch eine Breitschlitzdüse auf den einen Schlicker, während sich der eine Schlicker noch in nassem Zustand auf dem Träger befindet, jedoch so, dass die erste und die zweite Schicht im Wesentlichen einzeln bleiben, und
(e) Trocknen der abgeschiedenen Schlicker, um im Wesentlichen die Lösungsmittel, jedoch nicht die Bindemittel zu entfernen.

Schließlich ist in einem Verfahren zur Herstellung einer gebrannten monolithischen Struktur für eine elektronische Mehrschichtschaltung oder ein hydraulisches Modul eine Verbesserung vorgesehen, wobei das Verfahren die Schritte des Vorsehens von Grünkörper-Keramik-Tapes mit jeweils einer X-Y-Ebene, des Aufbringens von elektronischen Schaltungsbauelementen auf den Tapes, des Stapelns der Tapes in Z-Richtung, des Laminierens der gestapelten Tapes, des Erhitzens des Laminats aus gestapelten Tapes, um das organische Bindemittel aus den Tapes zu entfernen, und des gemeinsamen Brennens („Cofiring") des bindemittelfreien Laminats, um die monolithische Struktur mit einer im Wesentlichen nur in Z-Richtung verlaufenden Schwindung und im Wesentlichen keiner Schwindung in den X-Y-Ebenen herzustellen, umfasst und die Verbesserung Folgendes umfasst: Der Schritt des Vorsehens des Grünkörper-Keramik-Tapes umfasst das Vorsehen wenigstens eines Tapes mit einer selbsthemmenden („self-constraining") Schicht und der Schritt des gemeinsamen Brennens („Cofiring") erfolgt ohne Anwendung einer äußeren Schwindungshemmvorrichtung.
Kurzbeschreibung der mehreren Ansichten der Zeichnungen
Sowohl die oben aufgeführte Zusammenfassung als auch die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung werden leichter verständlich, wenn sie in Verbindung mit den im Anhang aufgeführten Zeichnungen gelesen werden. Um die Erfindung zu veranschaulichen, werden in den Zeichnungen Ausgestaltungen gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt werden. Es ver steht sich jedoch, dass die Erfindung nicht genau auf die gezeigten Anordnungen und Hilfsmittel beschränkt ist. Es zeigen:
1A zeigt ein typisches Einzelmodul mit einer Kavität, oben aufgedruckten metallischen Leiterbahnen und Vias in einer perspektivischen Schemaansicht. 1B zeigt einen Nutzen mit mehreren in demselben integrierten mikroelektronischen Mehrschichtmodulen aus
1A in schematischer Draufsicht.
2 zeigt ein dreischichtiges Tape gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Querschnittsansicht.
3 zeigt die graphische Wechselbeziehung zwischen dem Dickenverhältnis und der Schwindungskontrolle für ein dreischichtiges Tape gemäß der vorliegenden Erfindung.
4A, B, C und D zeigen mehrere selbsthemmende Mehrkomponentenstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischen Querschnittsansichten.
5 zeigt ein Nass-auf-Nass-Keramik-System für gleichzeitiges Abscheiden gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wie oben erklärt, hat die Elektronikmodulindustrie noch keine Möglichkeit gefunden, die Schwindungsproblematik auf wirtschaftliche und unkomplizierte Weise anzugehen. Eine ideale Lösung wäre ein einzelnes Keramik-Tape-Material ohne Schwindung, welches wie ein reguläres LTCC-Tape in Verarbeitungsschritten, wie beispielsweise Stapein, Laminieren, Bedrucken und Via-Befüllen, verarbeitet werden könnte. Der Vorteil wäre noch größer, könnte das Tape gleichzeitig mit dem Metallisieren bei standardmäßigen LTCC-Temperaturen gemeinsam gebrannt oder gesintert werden. Ferner wäre auch ein einzelnes Tape wünschenswert, welches vielseitig genug wäre, dass strittige Punkte wie beispielsweise ein geringer dielektrischer Verlust bei hohen Frequenzen und die Integration von passiven und aktiven Komponenten behandelt werden könnten, während gleichzeitig die Abmessungsunsicherheit bei zunehmender Nutzengröße beseitigt würde.
Die vorliegende Erfindung erreicht diese Ziele. Insbesondere ist ein monolithisches Grünkörper-Tape vorgesehen, das für die Konstruktion von Mehrschicht-Keramikstrukturen verwendet werden kann, welche eingebettete Leiterbahnenbilder für Anwendungen der Mikroelektronik enthalten. Wie weiter unten detaillierter beschrieben, kann dieses Grünkörper-Tape wie ein herkömmliches Einschicht-LTCC-Tape verarbeitet werden, behält aber nach dem Brennen seine geometrischen X-Y-Abmessungen bei, weil das Tape als solches selbsthemmend ist und dadurch mehrere Probleme verringert, die angesichts gegenwärtig angewendeter Herstellverfahren bei der Sinterung mit äußeren Schwindungshemmvorrichtungen („Constrained Sintering") bestehen. Beispielsweise erlaubt das erfindungsgemäße selbsthemmende Grünkörper-Tape eine verbesserte Planheit der aus demselben gebildeten entstehenden Strukturen und kann bei der Konstruktion von keramischen Mehrschichtschaltungen und einzelnen Modulen verwendet werden, bestehend aus herkömmlichen Dickschichtmetallisierungen, einschließlich Leiterbahnen, Widerständen und dielektrischer Masken auf der Oberfläche sowie innen befindlicher eingebetteter passiver/aktiver Komponenten und Kavitäten. Das verbesserte Tape gemäß der vorliegenden Erfindung verstärkt auch die Eigenschaften der darin oder darauf gedruckten Metallleiterbahnenbilder, einschließlich Lötbarkeit, Haftfähigkeit, Leitfähigkeit und Widerstandsfähigkeit.
Grünkörper-Tape
Das für gemeinsames Brennen („Cofiring") bei niedriger Temperatur bestimmte monolithische Grünkörper-Tape kann als „selbsthemmend" („self-constrained") bezeichnet werden, weil, wie weiter unten detaillierter beschrieben wird, beim Sintern im Wesentlichen keine Schwindung des Tapes in X-Y-Richtung erfolgt, obwohl keine Schwindungshemmvorrichtung zur Erreichung dieses Ziels erforderlich ist. Das Tape umfasst wenigstens zwei Schichten. Bei der ersten Schicht handelt es sich um eine Niedertemperatur-Keramikschicht, welche Partikel eines ersten keramischen Materials, eines ersten Glasmaterials und eines ersten organischen Bindemittels enthält. Das keramische Material und das Glasmaterial, welche die Niedertemperatur-Keramikschicht umfassen, können zusammen als die „anorganische Zusammensetzung" der Niedertemperatur-Keramikschicht bezeichnet werden, wobei die Zusammensetzung durch die letztendliche Anwendung des Grünkörper-Tapes bestimmt werden kann. Die anorganische Zusammensetzung der ersten Schicht kann die Fachleuten bekannte Zusammensetzung eines herkömmlichen LTCC-Tapes, eine für eine bestimmte Anwendung modifizierte LTCC-Tape-Zusammensetzung oder eine neuartige Zusammensetzung sein. Aus diesem Grund wird die erste Schicht hier auch als "Niedertemperatur-Keramikschicht" oder als „LTCC-Schicht" bezeichnet.
Glasmaterial
Das jeweilige zur Verwendung in der Niedertemperatur-Keramikschicht bestimmte Glasmaterial kann basierend auf der gewünschten Anwendung des Grünkörper-Tapes ausgewählt werden. Glas ist ein amorphes Material, welches elementare Oxide umfasst, deren Natur die physikalischen Eigenschaften des Glasmaterials bestimmen, wie beispielsweise T_g (Glasübergangstemperatur), Viskosität, Porosität, Lichtdurchlässigkeit, Dielektrizitätskonstante und Wärmeausdehnungskoeffizient. Derartige Eigenschaften können abhängig von der jeweiligen gewünschten Anwendung gesteuert werden. Beispielsweise könnte das Glasmaterial bei entsprechender Wärmebehandlung beim Brennen entglasen, so dass seine Struktur kristallin würde. Das Glasmaterial könnte auch so ausgeführt sein, dass es mit den feuerfesten Bestandteilen in dem Tape bei Brenntemperaturen reagieren und so unterschiedliche kristalline Phasen erzeugen würde, die Eigenschaften wie beispielsweise niedriger Verlust bei hohen Frequenzen besäßen. Bei anderen Anwendungen könnte das Glasmaterial so ausgeführt sein, dass es eine hohe Dielektrizitätskonstante für Kondensatoranwendungen bieten würde. Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften des in der vorliegenden Erfindung verwendeten Glasmaterials sind seine Viskosität und sein Benetzungswinkel, die durch Mischen mehrerer anorganischer Oxidkombinationen von Fachleuten verändert werden können. In der LTCC-Schicht kann jede beliebige Glasart Verwendung finden, wie beispielsweise (aber nicht beschränkt auf) Silikatglas, vorzugsweise Borosilikatglas, z.B. bleihaltiges, calciumhaltiges oder lithiumhaltiges Borosilikatglas.
Keramisches Material
Bei dem zweiten anorganischen Material in der LTCC-Schicht handelt es sich um ein keramisches Material, dessen Schmelztemperatur höher ist als die von Glas und das als Ergänzung zu dem Glasmaterial verwendet werden kann. Während ein Teil des keramischen Materials mit dem Glasmaterial reagieren soll, kann das keramische Material auch als Füllstoff dienen. Das keramische Material kann auch dem besonderen Zweck dienen, die Gesamteigenschaften des Grünkörper-Tapes zu beeinflussen, z.B. die Festigkeit, den Wärmeausdehnungskoeffizienten oder den Koeffizienten für die Thermalfrequenz (T_f), d.h. die Verschiebung der Reaktion der Frequenz auf eine Temperaturveränderung. Bei dem keramischen Material kann es sich beispielsweise um Aluminiumoxid, Titandioxid oder Siliciumdioxid handeln, aber es sind auch viele andere in der Technik bekannte keramische Materialien für die Aufnahme in die Niedertemperatur-Keramikschicht geeignet.
Keimbildner
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die anorganische Zusammensetzung der LTCC-Schicht ferner einen Keimbildner. Bei einem Keimbildner handelt es sich üblicherweise um ein Edelmetall- oder Übergangsmetalloxid, welches in die anorganische Zusammensetzung der LTCC-Schicht integriert und bei der Sinterung zu einem Bestandteil der Glasstruktur wird. Der Keimbildner dient der Beschleunigung der Entglasung, um gewünschte kristalline Phasen während des Brennvorgangs zu bilden, um die Volumendichte der gewünschten kristallinen Phase zu erhöhen oder um die Korngröße der kristallinen Struktur zu steuern, indem die Bildung einer größeren Anzahl von kleineren Kristallkörnern angeregt wird. Ein bevorzugter Keimbildner ist Titandioxid, das in die LTCC-Schicht in einer Menge integriert werden kann, die wirkungsvoll genug ist, um die Porosität zwischen der LTCC-Schicht und der selbsthemmenden Schicht wie unten erläutert zu minimieren. Auch andere Keimbildner, z.B. Zirconiumdioxid, Anorthit, Molybdänoxid, Wolframoxid, Magnesium-Kobalt-Spinell oder Kombinationen daraus, können in die Niedertemperatur-Keramikschicht aufgenommen werden. Die spezifische Auswahl des Keimbildners kann von den jeweiligen in der LTCC-Schicht vorhandenen Glasarten und keramischen Materialien abhängen.
Ohne an eine Lehrmeinung gebunden sein zu wollen, wird allgemein angenommen, dass es bei der weiter unten beschriebenen Sinterung des Grünkörper-Tapes durch das Vorhandensein eines Keimbildners zur Ausbildung eines neuen keramischen Materials in der LTCC-Schicht kommt, welches eine neue kristalline Struktur besitzt. Dieses neue Material bewirkt, dass das aus dem Grünkörper-Tape gebildete Endprodukt hervorragende dielektrische Eigenschaften aufweist. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Keimbildner um Titandioxid und bei der Sinterung wird in der LTCC-Schicht Anorthit gebildet. Bei Abwesenheit eines Keimbildners ist das gesinterte Material eher glasiger als dass es eine große Volumendichte der gewünschten kristallinen Phase besitzt. Dieses glasige Material hat möglicherweise nicht die gewünschten dielektrischen Eigenschaften und neigt dazu, schwächer zu sein als kristalline Phasen. Außerdem ist die Beweglichkeit von Silber in glasigen Materialien sehr viel größer als in kristallinen Materialien, was sich negativ auf die Zuverlässigkeit der aus dem Grünkörper-Tape mit Hilfe von Silberleitern gebildeten Schaltungen auswirken kann. Jedoch können auch Probleme entstehen, wenn das Glas in der LTCC-Schicht zu schnell oder zu vollständig ent glast. Da kristalline Phasen den Materialfluss während des Sintervorgangs behindern, könnte insbesondere das frühe Auftauchen von kristallinen Phasen verhindern, dass das Glas in ausreichender Menge in die schwindungshemmende Schicht strömt und dass sich eine dichte Struktur bildet. LTCC-Materialien mit einem zu niedrigen Glasanteil neigen dazu, eine stärkere Oberflächenrauheit als Materialien mit einem höheren Anteil an Glas zu haben, und diese Oberflächenrauheit kann bei einigen Anwendungen Probleme bereiten. Manche dieser möglichen Probleme können durch die Gegenwart eines Keimbildners in der anorganischen Zusammensetzung verringert werden.
Es herrscht auch die Meinung, dass die Aufnahme eines Keimbildners, wie Titandioxid, in der anorganischen Zusammensetzung der LTCC-Schicht einen positiven Einfluss auf die zwischen den LTCC-Schichten und den selbsthemmenden Schichten vorhandene Viskosität und Porosität haben kann (Grenzflächenporosität). Ist eine zu große Menge Keimbildner vorhanden, kann dies zu einer übermäßigen Grenzflächenporosität führen, was die Bildung von offenen Kanälen ermöglicht. Diese offenen Kanäle können die mechanische Festigkeit der Struktur vermindern und ein schwerwiegendes Risiko für die Zuverlässigkeit darstellen, da Wasser die gebrannte Struktur durchdringen kann. Ein hoher Grad an Porosität kann außerdem zur Delamination (hundertprozentige Porosität) einer Mehrschichtstruktur in ihre Schichtenbestandteile führen. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, den Gesamtvolumenanteil der Porosität in der gebrannten Struktur zu minimieren. Es ist außerdem wichtig, dass die vorhandene Porosität eher in Form von isolierten Blasen als verbundenen Kanälen auftritt. Es hat sich herausgestellt, dass die Aufnahme von 7% Titandioxid in eine bestimmte anorganische LTCC-Zusammensetzung die Ausbildung einer großen Menge an unerwünschter offener Grenzflächenporosität ermöglicht. Wird die Menge an Titandioxid auf ungefähr 5% reduziert, sinkt die Grenzflächenporosität, aber es bleiben einige Bereiche mit offenen Poren zurück. Jedoch sinkt durch die Aufnahme von nur 2,7% Titandioxid in die LTCC-Schicht die Grenzflächenporosität auf einen gewünschten Wert, was die offene Porosität beseitigt. Eine weitere Absenkung des Titandioxidgehalts verbessert die Dichte der gebrannten Struktur noch weiter, kann aber auch zu einem unerwünscht hohen Glasanteil in der gebrannten LTCC-Schicht führen.
Organisches Bindemittel
Der letzte Bestandteil der Niedertemperatur-Keramikschicht ist ein organisches Bindemittel, in dem die Glas- und Keramikpartikel suspendiert sind und das ein Polymerharz sowie ein Plastifizier- und/oder ein Dispergiermittel umfasst. Die Bestandteile des organischen Binde mittels werden bei Temperaturen von ca. 100 bis ca. 500 °C abgebaut und/oder ausgebrannt oder verdampft. Das organische Bindemittel kann auf einer LTCC-Formulierung nach Industriestandard basieren, wie beispielsweise in US-Patent Nr. 4,769,294; 5,387,474 und 4,536,535 beschrieben, oder es kann auf der Basis der jeweiligen anorganischen Zusammensetzung des Grünkörper-Tapes und der gewünschten Anwendung entwickelt werden. Jeder Bestandteil des organischen Bindemittels übt einen Einfluss auf die spezifischen Eigenschaften des Tapes aus, was allgemein als Grünhandhabung bekannt ist und solche Parameter wie Trägerfolienfreisetzung, Bindewirkungsgrad, Sprödigkeit, Robustheit usw. umfasst. Die Auswahl und Anpassung dieser Bindemittelbestandteile ist Fachleuten bekannt.
Beispielsweise kann die Schwindung des Tapes beim Brennen durch die Auswahl des Polymerharzes beeinflusst werden. Typische Polymerharze umfassen eine große Vielfalt an Polymermaterialien, wie Butyrale, Celluloseerzeugnisse, Silikonpolymere, Acrylatverbindungen, Polyether von hoher relativer Molekülmasse, Acrylpolymere, Copolymere und Multipolymere. Unabhängig von der Natur des Polymers ist es wünschenswert, die minimal mögliche Menge an organischem Bindemittel zu verwenden, um das Verhältnis von Feststoffen zu organischen Verbindungen zu maximieren, was die Packung der Partikel verbessert und die Schwindung beim Brennen minimiert. Um jedoch zu vermeiden, dass die Eigenschaften für die Handhabung des Tapes, wie die Sprödigkeit oder die Gründelamination (Delamination der Grünbögen vor der Sinterung), aufs Spiel gesetzt werden, werden vorzugsweise bis zu ca. 20 Gew.-% des Bindemittels in ca. 80 Gew.-% Feststoffen verwendet.
Die zweite Schicht des Grünkörper-Tapes gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch als „selbsthemmende Schicht" bezeichnet. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff „selbsthemmend" auf die Fähigkeit der selbsthemmenden Schicht, während des Brennvorgangs die Schwindung einer oder mehr benachbarter LTCC-Schichten in X-Y-Richtung zu hemmen, ohne dass eine äußere Schwindungshemmvorrichtung benötigt wird, wie beispielsweise äußere Materialien oder physikalische Einspannmittel, welche an dem Grünkörper angebracht werden. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich „äußere Schwindungshemmvorrichtung" auf jedes beliebige Material oder Gerät oder jede beliebige Kraft, das bzw. die an dem Grünkörper angelegt wird, um eine Schwindungshemmung der Schichten des Körpers in der X-Y-Ebene zu erreichen, welches bzw. welche aber nach dem Brennvorgang entfernt wird. Es wäre vorstellbar, dass die äußere Schwindungshemmvorrichtung im Inneren des Mehrschicht-Grünkörpers angelegt würde, jedoch nicht als Teil der monolithischen Struktur nach dem Brenn vorgang verbleibt. Dagegen verbleibt die selbsthemmende Schicht der vorliegenden Erfindung als Bestandteil der gebrannten, monolithischen Mehrschichtstruktur.
Diese selbsthemmende Schicht enthält Partikel eines feuerfesten keramischen Materials, ein Benetzungsmittel für das Glasmaterial in der ersten Schicht und ein organisches Bindemittel. Das organische Bindemittel enthält, wie oben beschrieben, ein Polymerharz und ein Plastifizier- und/oder ein Dispergiermittel, wobei es sich dabei um das gleiche organische Bindemittel wie in der ersten Schicht oder um ein anderes organisches Bindemittel als das in der ersten Schicht handeln kann. Bevorzugt hat das organische Bindemittel in der selbsthemmenden Schicht jedoch die gleiche Zusammensetzung wie das organische Bindemittel in der für die Bildung des Grünkörper-Tapes verwendeten Niedertemperatur-Keramikschicht. Das organische Bindemittel in der selbsthemmenden Schicht kann ebenfalls eine bekannte Formulierung haben oder auf der Basis der anorganischen Zusammensetzung der selbsthemmenden Schicht entwickelt werden.
Feuerfestes keramisches Material
Bei dem feuerfesten keramischen Material handelt es sich um ein keramisches Material, das nicht bei einer Sintertemperatur der Niedertemperatur-Keramikschicht sintert, welche typischerweise zwischen ca. 750 bis ca. 900 °C liegt. Im Wesentlichen ist jedes beliebige hochschmelzende Material geeignet, einschließlich Glas mit hohem T₉ oder Hochtemperaturglasmaterialien (sowohl kristallin als auch nichtkristallin), mit Erweichungspunkten über ca. 1000 °C, vorzugsweise über ca. 1500 °C. Insbesondere hat das feuerfeste keramische Material vorzugsweise einen Schmelzpunkt, der mindestens 1,3 mal so hoch ist wie die absolute Brenntemperatur (in Grad Kelvin). Beispielsweise gehören zu den bevorzugten feuerfesten keramischen Materialien, die in der selbsthemmenden Schicht Verwendung finden können, anorganische Oxide, Metallsilikate, Metallcarbide, Metallbromide, Metallnitride, Mineralien und Salze. Die feuerfesten keramischen Materialien umfassen beispielsweise Mg_xO_y (Magnesiumoxid), Be_xO_y (Berylliumoxid), Al_xN_y (Aluminiumnitrid), B_xN_y (Bornitrid), BaO·Al₂O₃·2SiO (Celsian), CaO·Al₂O₃·2SiO₂ (Anorthit), 2MgO·SiO₂ (Forsterit), Calciumborat, Bariumtitanat oder CaO·SiO₂ (Wollastonit). In diesen Formeln stehen x und y für relative Verhältnisse der jeweiligen Elemente. Perowskite können ebenfalls in der vorliegenden Erfindung als feuerfestes keramisches Material verwendet werden. Der Begriff „Perowskit" wird von Fachleuten als Beschreibung einer Familie von anorganischen Oxiden mit der Formel ABO₃ verstanden, wie beispielsweise CaTiO₃, BaTiO₃, SrTiO₃ und LaAlO₃. Die bevorzugtesten feuerfesten keramischen Materialien sind anorganische Oxide, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Siliciumdioxid, Anorthit, Mullit und Derivate derselben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich aufgrund der gewünschten Materialkompatibilität (z.B. passen die Wärmeausdehnungskoeffizienten) bei der gebildeten Struktur und aufgrund der chemischen Kompatibilität zwischen dem Glasmaterial und dem keramischen Material bei dem feuerfesten keramischen Material in der selbsthemmenden Schicht des Grünkörper-Tapes und bei dem keramischen Material in der LTCC-Schicht um das gleiche Material, so dass sich durch eine Reaktion zwischen dem Glasmaterial und dem keramischen Material während des Brennvorgangs keine unerwünschten Phasen bilden.
Benetzungsmittel
Der zweite Bestandteil der anorganischen Zusammensetzung der selbsthemmenden Schicht des Grünkörper-Tapes ist ein Benetzungsmittel für das Glasmaterial in der LTCC-Schicht. Die Gegenwart des Benetzungsmittels fördert bei der Sinterung des Grünkörper-Tapes den Glasstrom von der LTCC-Schicht zu der ansonsten mikroporösen selbsthemmenden Schicht, um eine keramische Matrix zu bilden. Beispielsweise sind Siliziumdioxid, Alkalimetalloxide, z.B. Lithiumoxid, Natriumoxid, Kaliumoxid und Caesiumoxid, sowie Silikate (sowohl Alkalimetall als auch Erdalkalimetall) bevorzugte Benetzungsmittel für die vorliegende Erfindung, wobei Lithiummetasilicat (Li₂SiO₃) das bevorzugteste ist. Jedoch kann das jeweilige Benetzungsmittel für ein spezifisches Grünkörper-Tape basierend auf dem jeweiligen in der ersten Schicht verwendeten Glasmaterial ausgewählt werden; es kann sich dabei um jedes beliebige Benetzungsmittel handeln, das Fachleuten bekannt ist. Insbesondere wird das Benetzungsmittel vorzugsweise bei Temperaturen, wie sie typischerweise beim Brennen von LTCC-Strukturen verwendet werden, also typischerweise zwischen ca. 850 °C und ca. 900 °C, nicht von dem ersten Glasmaterial aufgelöst. Bei Abwesenheit eines Benetzungsmittels kann das Glasmaterial nicht in ausreichendem Maße in die selbsthemmende Schicht eindringen.
Bei Abwesenheit eines Benetzungsmittels muss die selbsthemmende Schicht sehr dünn sein (höchstens ca. 20 Mikrometer), damit eine Delamination eines Mehrschicht-Tapes in die einzelnen Schichtbestandteile vermieden wird. Durch Integration eines Benetzungsmittels, wie beispielsweise Lithiummetasilicat, erhöht sich die Migration des Glasmaterials zu dem keramischen Material und es können dickere Schichten hergestellt werden, welche nicht delaminieren.
Wie im Folgenden erklärt wird, sind dickere Schichten für die Minimierung der X-Y-Schwindung bei der Sinterung wirkungsvoller.
Die Eingrenzung von überschüssigem Glas oder beweglichem Gleitglas und die Verringerung der Glasmenge auf der Oberfläche des gebrannten Tapes ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Beim Sintern von herkömmlichen Glaskeramik-LTCC-Tapes reagieren und kristallisieren nicht alle Glaspartikel des Tapes. Vielmehr verbleibt ein Anteil des nicht in Reaktion getretenen Glasmaterials im gleitenden Zustand und wandert folglich zur Oberfläche des Tapes. Die Migration von Glasmaterial oder die Steuerung von nicht in Reaktion getretenem Glasmaterial ist beim gemeinsamen Brennen („Cofiring") von Oberflächemetallisierung besonders unerwünscht. Bei der Sinterung erfolgt eine Verdichtung in den metallischen anorganischen Teilchen, aus denen die Leiterbahnen und die Pads bestehen. Sobald Glasmaterial wandert und in die Leiterbahnen strömt, wird es die Fähigkeit derselben, an SMT-Bauelemente gelötet zu werden, hemmen. Darüber hinaus wird auch die elektrische Leitfähigkeit durch die Gegenwart von nichtleitenden Glasphasen in der Metallisierung gefährdet. Das gleiche Prinzip gilt für auf der Oberfläche aufgedruckte Widerstände, in denen Schwankungen der Widerstandsfähigkeit auftreten, wenn Glasmaterial bei der Sinterung in den Widerstand wandert. Daher ist es wünschenswert, die Migration von Glasmaterial zu den äußeren Schichten des Tapes zu verhindern.
Aufgrund der Genauigkeit der Dicke der mittleren Schicht in einem dreischichtigen Tape gemäß der vorliegenden Erfindung kann dementsprechend eine Steuerung der Migration von überschüssigem Glasmaterial in die Oberfläche des Tapes erreicht werden. Dieses überschüssige Glasmaterial ist in der Mitte des Tapes in einer Menge enthalten, die über die Dicke der mittleren Schicht gesteuert wird, so dass die Leitfähigkeit und die Widerstandsfähigkeit der auf der Oberfläche aufgedruckten Merkmale in signifikantem Maße verbessert werden können.
Es ist wünschenswert, dass in der selbsthemmenden Schicht des Grünkörper-Tapes eine hohe Partikeldichte vorhanden ist. Partikeldichte, auch Packungsdichte genannt, bezieht sich auf den Volumenanteil von Feststoffteilchen und wird durch die Größe, Form und Verteilung der Teilchen bestimmt. Bei feuerfestem keramischen Material wird ein großer Bereich an Teilchengrößen bevorzugt. Das Vorhandensein kleinerer Teilchen verbessert die kompakte Festigkeit; somit verbessert ein stärkerer Kontakt unter den Teilchen die Volumendichte in der selbsthemmenden Schicht. Ferner sind bevorzugt mindestens 60 Vol.-% irregulär geformter feuerfester Feststoffteilchen vorhanden, damit die maximale Packungsdichte erzielt werden kann.
In einer Ausgestaltung umfasst die selbsthemmende Schicht ferner wenigstens ein Glasmaterial, bei dem es sich um jedes beliebige Glasmaterial handeln kann, das Fachleuten bekannt ist. Das Glasmaterial hat die Funktion eines Benetzungsmittels. Anders als die oben beschriebenen Benetzungsmittel wird sich das in der selbsthemmenden Schicht verwendete Glasmaterial in das in der LTCC-Schicht verwendete Glasmaterial hinein auflösen. Daher beträgt die durchschnittliche Teilchengröße des Glasmaterials bevorzugt ungefähr ein Zehntel der durchschnittlichen Teilchengröße des feuerfesten keramischen Materials in der selbsthemmenden Schicht, so dass die Hauptmenge des Glasmaterials während der Laminierung in eine Zwischengitterstelle zwischen den großen Keramikteilchen gedrängt werden kann, um so die beim Schmelzen der Glaspartikel verursachte Schwindung zu minimieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Grünkörper-Tape eine selbsthemmende Schicht, die zwischen zwei ersten Niedertemperatur-Keramik- oder LTCC-Schichten angeordnet ist, wie in 2 gezeigt. In einer derartigen dreischichtigen Struktur können die Schichten im Folgenden als obere, mittlere und untere Schicht bezeichnet werden. Die in 2 gezeigte dreischichtige Struktur enthält eine obere Niedertemperatur-Keramikschicht 20, eine mittlere selbsthemmende Schicht 22 und eine untere Niedertemperatur-Keramikschicht 24. In einer Ausgestaltung haben die obere und die untere Niedertemperatur-Keramikschicht im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung.
Vorzugsweise hat die mittlere selbsthemmende Schicht eine Dicke von mehr als ca. 20 Mikrometer. Die Dicke der mittleren Schicht wirkt sich auf wichtige Weise auf die Schwindung des Grünkörper-Tapes aus. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Dicke der Schichten in einem dreischichtigen Grünkörper-Tape und der X-Y-Schwindung bei einer Nutzengröße von 5 in × 5 in (ungefähr 12,7 cm × 12,7 cm). Es wird deutlich, dass bei größer werdender Dicke der mittleren Schicht relativ zu der Summe der Dicken der oberen und unteren Schicht die X-Y-Schwindung abnimmt. Beispielsweise hat sich bei einem 5,3 mil (135 Mikrometer) dicken, dreischichtigen Tape herausgestellt, dass eine 12,5 Mikrometer dicke mittlere selbsthemmende Schicht zu einer Schwindung von 0,5% führt, während eine 30 Mikrometer dicke mittlere Schicht zu einer Schwindung von 0,17% führt.
Beim Brennen des Grünkörper-Tapes bei der Sintertemperatur der Niedertemperatur-Keramikschicht, beispielsweise zwischen ca. 750 und 900 °C, verdichten sich die Schichten des Tapes in Z-Richtung (Dicke), aber die Schwindung in der X-Y-Ebene der Schichten liegt unter ca. 1% und bevorzugt nicht über 0,2%.
Ohne an eine Lehrmeinung gebunden sein zu wollen, kann die geringe Schwindung in der X-Y-Ebene beim Sintern wie folgt erklärt werden. Während des Brennvorgangs werden die anorganischen Bestandteile in der LTCC-Schicht bzw. den LTCC-Schichten nach der Verdampfung der organischen Bindemittel aus den Schichten einer Sinterung unterzogen und beginnen sich so zu verdichten, dass die Viskosität der Glaspartikel signifikant sinkt und die Partikel chemisch zu reagieren beginnen und kristallisieren (entglasen). Außerdem nimmt die Korngröße zu und die Form und Größe der Poren ändert sich, was typischerweise zu einer Verdichtung der zusammengepressten Partikel führt. Gleichzeitig wird aufgrund der Kapillarkraft zwischen den Partikeln in der mittleren Schicht und der Benetzungskraft zwischen dem Glasmaterial und den Materialien in der selbsthemmenden Schicht das Glasmaterial, nachdem es eine ausreichend hohe Viskosität erreicht hat, in die selbsthemmende Schicht strömen. Infolge der bevorzugten hohen Packungsdichte, des hohen Feststoffanteils in der selbsthemmenden Schicht, dem inhärenten Kontakt zwischen den Partikeln und der Reibung zwischen den Schichten wird das Grünkörper-Tape gezwungen, sich nur in Z-Richtung zu verdichten.
Um derart niedrige Schwindungswerte zu erzielen, müssen die jeweiligen Bestandteile des Tapes sorgfältig so ausgewählt werden, dass sie sich gegenseitig ergänzen. Beispielsweise sollte das Glasmaterial in der LTCC-Schicht bzw. den LTCC-Schichten die Anforderungen des Dielektrikums erfüllen, wie z.B. Dielektrizitätskonstante, hermetischer Abschluss, Sinterfähigkeit, Reaktivität und Kristallinität. Zum zweiten sind Eigenschaften wie Viskosität und Benetzbarkeit des Glasmaterials gegenüber dem feuerfesten keramischen Material wichtige Faktoren. Die Benetzbarkeit des Glases hängt von der Haftfähigkeit der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff ab, also der Phasengrenze zwischen dem viskosen Glasmaterial und dem feuerfesten keramischen Material. Schließlich ist die dicht gepackte poröse Struktur des feuerfesten keramischen Materials wichtig. Wie bereits oben erklärt, wird das Eindringen des Glasmaterials in das dicht gepackte feuerfeste keramische Material in der selbsthemmenden Schicht durch die Art der Packung des feuerfesten keramischen Materials bewirkt und durch diese gesteuert.
Neben den wenigstens zwei Schichten in dem Grünkörper-Tape kann das Tape weiterhin wenigstens ein elektronisches Schaltungsbauelement, welches an wenigstens einer äuße ren Planarfläche des Tapes anhaftet, wie beispielsweise (aber nicht beschränkt auf) einen Widerstand, einen Kondensator, einen Varistor, ein Dielektrikum, ein Metallleiterbahnenbild, oder eine induktive Struktur umfassen, beispielsweise ein induktives Bauelement oder einen Transformator mit oder ohne ferromagnetischem oder Eisenkernelement. Eine induktive Struktur wird von Fachleuten als eine Struktur beschrieben, in der ein durch einen Leiter fließender elektrischer Strom ein Magnetfeld um den Leiter hervorruft, was eine Spannung ergibt, die der Stromänderung (Induktivität) entgegenwirkt. Es können auch weiteres Schaltungsmerkmale oder passive Bauelemente verwendet werden, wie beispielsweise Wellenleiter, SAW-Bauelemente, Resonatoren oder Mischglieder. Ferner können Halbleiterelemente auf der Oberfläche des Grünkörper-Tapes bestückt sein. Es ist auch denkbar, dass bei der Herstellung des Grünkörper-Tapes elektronische Schaltungsbauelemente an einer oder mehreren Innenflächen der Schichten angelegt werden.
Das bevorzugte Verfahren für die Herstellung eines Grünkörper-Mehrschicht-Tapes gemäß der vorliegenden Erfindung ist das gleichzeitige Nass-auf-Nass-Keramik-Verfahren, bei dem wie unten beschrieben Schichten durch Breitschlitzdüsen aufgebracht werden. Jedoch kann jedes beliebige bekannte Verfahren für die Bildung von Tapes angewendet werden. Beispielsweise können die Schichten nach dem Nass-auf-Nass-Verfahren auf einem Träger mit Hilfe von Rakelmessern oder nach einer beliebigen anderen Schlickerabscheidungsmethode, z.B. Düsenzerstäubung, aufgebracht werden. Obwohl es möglich sein kann, ein dreischichtiges Nass-Tape nahezu sequentiell mit einer Haltevorrichtung oder sequentiell mit Hilfe mehrerer Rakelmesser zu gießen, haben, wie bereits oben erklärt, Tape-Casting-Techniken Nachteile, die auch die schwierige und häufig ungenaue Steuerung der Dicke der mittleren Schicht in Mehrschichten-Tapes umfassen. Bei einem alternativen Verfahren können die Schichten entweder in nasser oder trockener Form gebildet und gestapelt werden, was kostspielig sein kann.
Da das Grünkörper-Tape gemäß der vorliegenden Erfindung selbsthemmend ist, können für die Herstellung von Strukturen aus demselben allgemeine in der Technik der LTCC-Tape-Handhabung bekannte Verfahren angewendet werden, ohne dass zusätzliche Schwindungshemmmechanismen erforderlich sind. Dieses neuartige Grünkörper-Tape minimiert somit die Herstellungskosten, indem durch die Beseitigung vieler Schritte für die Entwicklung und Herstellung von Schaltungen, welche zur Vermeidung von Abmessungsfehlern und Fehlanpassungen erforderlich sind, die Quelle der Abmessungsunsicherheit in Keramiksubstraten angegangen wird. Darüber hinaus bleiben bei der Erfindung die Oberflächen frei von äußerlich angebrachtem oder laminiertem schwindungshemmenden Material, was ein gemeinsames Brennen („Cofi ring") der Oberflächenleiter zusammen mit dem dielektrischen Tape ermöglicht und somit die Anzahl der Brennzyklen verringert.
Eine vorteilhafte Eigenschaft des Grünkörper-Tapes gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Wölbungskontrolle und die Planheit eines gebrannten Substrats beim gemeinsamen Brennen von Oberflächenleitern. Der Begriff „Wölbung" bezieht sich auf die Krümmung von gebrannten Substraten aus der X-Y-Ebene heraus und wird typischerweise anhand des Punkts der größten Ablenkung in Z-Richtung über eine bestimmte Entfernung quantifiziert. Wölbungen entstehen durch einen Unterschied der Sinterrate zwischen den Leiterbahnen und dem dielektrischen Tape. Man glaubt, dass bei der Sinterung eines regulären frei gesinterten Tapes der Unterschied der Sinterrate die auf das Dielektrikum einwirkenden Scherspannungen anhebt. Diesen in der gleichen Ebene wirkenden Zugspannungen oder Zugkräften kann das weiche elastische Tape bei der Sinterung nicht entgegenwirken, weshalb es zu einer Wölbung kommt. Aufgrund der dichten Packungsstruktur und der festen Zusammensetzung der mittleren oder selbsthemmenden Schicht des Grünkörper-Tapes gemäß der vorliegenden Erfindung übertrifft die inhärente Steifigkeit der Schicht die Unterschiede beim Sintern der Leiter und folglich kann sie den auf das Tape einwirkenden Kräften entgegenwirken. Das Glas in der Niedertemperatur-Keramikschicht, welches in das Tape strömt, verstärkt später diese inhärente Festigkeit.
Ähnliche Prinzipien können auf ein Durchscheinen angewendet werden, was eine ortsgebundene Wölbung oder Krümmung bei dem jeweiligen aufgedruckten Merkmal beschreibt. Durchscheinen wird typischerweise anhand der maximalen Ablenkung über die Entfernung des Merkmals quantifiziert. Es hat sich erwiesen, dass das selbsthemmende Tape gemäß der vorliegenden Erfindung praktisch eine Null-Wölbung oder ein Null-Durchscheinen aufweist, da eine Vielzahl von Silberpasten und verschiedenen Sinterraten verwendet wird.
Wie bereits oben beschrieben, können herkömmliche schwindungshemmende Verfahren zu unerwünschten Eigenschaften der Kavitäten enthaltenden Strukturen führen, die aus LTCC-Tapes hergestellt werden, um darin integrierte Schaltungen unterzubringen. Die Anwendung von selbsthemmenden Grünkörper-Tapes gemäß der vorliegenden Erfindung überwindet diese Eigenschaften, beispielsweise „Necking" (Verjüngung). Mit dem selbsthemmenden Verfahren werden insbesondere die in einer Ebene wirkenden Spannungen oder Kräfte lokalisiert und gleichmäßig in dem gesamten Körper der Struktur verteilt, so dass eine nahezu geradlinige Kavität und nahezu geradlinige umlaufende Wände verbleiben. Sind schwindungshemmende Schichten in einer aus mehreren Schichten hergestellten Struktur gleichmäßig von oben nach unten verteilt, kann den in einer Ebene wirkenden und durch die Sinterung entstehenden Zugspannungen standgehalten werden. Wächst die Verteilung der schwindungshemmenden Schichten in dem Modul, wird die Verjüngungskrümmung signifikant minimiert.
Monolithische Struktur
Neben dem selbsthemmenden Grünkörper-Tape ist außerdem erfindungsgemäß eine dichte, monolithische, selbsthemmende, durch Niedertemperatur-Cofiring hergestellte Mehrkomponentenstruktur vorgesehen. Die Struktur umfasst einen Stapel von wenigstens zwei mehrschichtigen Keramiksubstraten, wobei auf oder in jedem Substrat wenigstens ein elektronisches Schaltungsbauelement befestigt ist. Bei diesen Bauelementen kann es sich beispielsweise um Widerstände, Kondensatoren, Varistoren, Dielektrika, Metallleiterbahnenbilder oder induktive Strukturen handeln, beispielsweise induktive Bauelemente oder Transformatoren mit oder ohne ferromagnetische oder Eisenkernelemente, wie oben beschrieben. Jedes mehrschichtige Keramiksubstrat umfasst wenigstens eine Niedertemperatur-Keramikschicht, welche gesinterte Partikel eines ersten keramischen Materials und eines ersten Glasmaterials enthält, sowie eine selbsthemmende Schicht, welche Partikel eines feuerfesten keramischen Materials und eines Benetzungsmittels für das erste Glasmaterial enthält. Das keramische Material, das Glasmaterial, das feuerfeste keramische Material und das Benetzungsmittel zur Anwendung in der Mehrkomponentenstruktur sind wie oben beschrieben. In einer bevorzugten Ausgestaltung haben das keramische Material in der ersten Niedertemperatur-Keramikschicht und das feuerfeste keramische Material in der selbsthemmenden Schicht die gleiche Zusammensetzung. Es ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass die erste Niedertemperatur-Keramikschicht ferner einen Keimbildner umfasst, wie beispielsweise Titandioxid, Zirconiumdioxid, Anorthit, Molybdänoxid, Wolframoxid, Magnesium-Kobalt-Spinell, wie oben beschrieben, wobei der Keimbildner in einer Menge vorhanden sein kann, die wirkungsvoll genug ist, um die Porosität zwischen der LTCC-Schicht und der selbsthemmenden Schicht zu minimieren.
Die Mehrkomponentenstruktur kann durch Stapeln der mehrschichtigen Keramiksubstrate, z.B. des oben beschriebenen Grünkörper-Tapes, und durch Sintern des Stapels gebildet werden, so dass das feuerfeste keramische Material und das Benetzungsmittel in der selbsthemmenden Schicht teilweise mit dem Glasmaterial verschmelzen und eine dichte monolithische Struktur bilden. Diese Struktur ist selbsthemmend, weil bei der Sinterung des Stapels der mehrschichtigen Keramiksubstrate die unerwünschte Schwindung in der X-Y-Ebene unter ca. 1 % und in einer bevorzugten Ausgestaltung unter ca. 0.2% liegt, obwohl kein zusätzliches Material und keine andere äußere Schwindungshemmvorrichtung angelegt wird. Wie oben beschrieben, findet eine wünschenswerte Schwindung in Z-Richtung statt, damit die Schichten verdichtet werden und eine dichte monolithische Struktur ergeben.
Die monolithische Struktur kann auch eine selbsthemmende Schicht umfassen, welche zwischen zwei ersten Niedertemperatur-Keramikschichten angeordnet ist, um eine dreischichtige Struktur herzustellen. Wie aus 4A ersichtlich ist, umfasst eine derartige dreischichtige Struktur eine untere und obere Schicht 10, bei welchen es sich um Niedertemperatur-Keramikschichten handelt, und eine mittlere selbsthemmende Schicht 12, die ein feuerfestes keramisches Material enthält. Wie in 4B gezeigt, liegt es auch im Umfang der Erfindung, wenn der Stapel aus Schichten ferner wenigstens ein weiteres Substrat 14 umfasst, welches eine einzelne Schicht umfasst, die gesinterte Partikel eines zweiten keramischen Materials und eines zweiten Glasmaterials enthält, wobei das weitere Substrat an wenigstens einer Niedertemperatur-Keramikschicht in dem Stapel anliegt. Das keramische Material und das Glasmaterial können mit dem in der Niedertemperatur-Keramikschicht verwendeten keramischen Material und Glasmaterial identisch sein oder sich davon unterscheiden. In einer Ausgestaltung kann es sich bei dem weiteren Substrat um ein herkömmliches LTCC-Tape handeln. In weiteren möglichen Anordnungen (4C) kann der Stapel wenigstens zwei weitere Substrate 14 und 16 umfassen, die identisch oder unterschiedlich sein können, wobei ein Substrat oben im Stapel und ein Substrat unten im Stapel positioniert ist. Das weitere Substrat 14 kann auch zwischen zwei Mehrschichtsubstraten positioniert sein und an diesen anliegen, wie in 4D gezeigt.
Derartige Anordnungen können als „umhüllte" Strukturen bezeichnet werden, in denen Mehrschichtsubstrate (wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf die erfindungsgemäßen Grünkörper-Tapes) mit herkömmlichen LTCC-Tapes gestapelt und gemeinsam gebrannt („Cofiring") werden, um zu verhindern, dass der Stapel bei der Sinterung in der X-Y-Ebene eine Schwindung aufweist. Diese umhüllten Strukturen würden einem Benutzer ermöglichen, ein bestimmtes, im handelsübliches LTCC-Tape basierend auf einer gewünschten Anwendung auszuwählen und das Tape selbsthemmend zu machen, um eine Struktur zu bilden, ohne äußere Schwindungshemmtechniken oder die oben beschriebenen damit verbundenen Nachteile zu benötigen.
Verfahren für die Herstellung eines Grünkörper-Tapes
Diese Erfindung sieht außerdem ein Verfahren für die Herstellung eines monolithischen, mehrschichtigen Grünkörper-Tapes vor, mit welchem die Probleme gelöst werden, die oben für die herkömmlichen Herstellverfahren beschrieben wurden. Derartige Tapes können für die Konstruktion von mehrschichtigen mikroelektronischen Schaltungsmodulen verwendet werden. Das Verfahren umfasst die Bildung eines ersten Schlickers, der Partikel eines ersten keramischen Materials, eines ersten Glasmaterials, eines ersten organischen Bindemittels und eines ersten Lösungsmittels enthält, sowie einen zweiten Schlicker, der Partikel eines feuerfesten keramischen Materials, eines zweiten organischen Bindemittels und eines zweiten Lösungsmittels enthält. Das keramische Material, das Glasmaterial, die organischen Bindemittel und das feuerfeste keramische Material sind wie oben beschrieben; die organischen Bindemittel in dem ersten und dem zweiten Schlicker können identisch oder unterschiedlich sein und können basierend auf den jeweiligen Bestandteilen der betreffenden Schlicker ausgewählt werden. Vorzugsweise haben das organische Bindemittel in dem ersten Schlicker und das organische Bindemittel in dem zweiten Schlicker die gleiche Zusammensetzung. Bei dem Lösungsmittel kann es sich um ein in der Technik bekanntes, schnell (mit hohem Dampfdruck) verdampfendes Lösungsmittel handeln, das die Bindemittelharze auflösen kann, einschließlich Alkohole, z.B. Methanol, Ethanol oder Butanol, Ketone, z.B. Methylisobutylketon oder Methylethylketon, oder andere Lösungsmittel, z.B. (aber nicht beschränkt auf) Cyclohexanon-Toluol-Ether oder Glykolether, Azetate von Glykolethern oder Mischungen aus diesen Lösungsmitteln, in denen die relativen Verhältnisse der Lösungsmittelbestandteile in den Mischungen so eingestellt werden können, dass die Verdampfungsrate gesteuert oder verlangsamt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der zweite Schlicker ferner ein Benetzungsmittel für das erste Glasmaterial, wie oben beschrieben, z.B. Siliciumdioxid, ein Alkalimetalloxid, z.B. Lithiumoxid, Natriumoxid, Kaliumoxid oder Caesiumoxid, oder ein Silikat (Alkalimetall oder Erdalkalimetall), wobei Lithiummetasilikat besonders bevorzugt ist. Der zweite Schlicker kann ferner wenigstens ein Glasmaterial umfassen, wie oben erläutert. Außerdem kann der erste Schlicker einen Keimbildner umfassen, z.B. Titandioxid, Zirconiumdioxid, Anorthit, Molybdänoxid, Wolframoxid, Magnesium-Kobalt-Spinell, wie oben beschrieben. In einer bevorzugten Ausgestaltung können das keramische Material in dem ersten Schlicker und das feuerfeste keramische Material in dem zweiten Schlicker identisch sein.
Das Verfahren umfasst ferner das Abscheiden einer ersten Schicht eines der Schlicker durch eine Breitschlitzdüse auf einen Träger und das Abscheiden einer zweiten Schicht des anderen Schlickers durch eine Breitschlitzdüse auf die erste Schicht, während der Schlicker in der ersten Schicht sich noch im nassen Zustand befindet, jedoch so, dass die erste und die zweite Schicht im Wesentlichen getrennt bleiben. Bei dem Träger kann es sich um eine organische Trägerfolie handeln, z.B. Polyesterfolie, oder um einen beliebigen anderen in der Technik bekannten Träger. Schließlich umfasst das Verfahren das Trocknen der abgeschiedenen Schlicker, um die Lösungsmittel, jedoch nicht die Bindemittel, bis zu einem wesentlichen Grad zu entfernen; anschließend kann das getrocknete Tape gegebenenfalls auf eine Rolle aufgespult werden. Das Tape wird vorzugsweise mittels einer Kombination getrocknet, die aus einer starken Luftströmung, um das bzw. die Lösungsmittel vor Sättigung der Atmosphäre über dem Tape zu entfernen, und Heizstrahlern besteht, die die Temperatur des Tapes allmählich auf ca. 80 °C anheben. Jedoch kann jedes beliebige in der Technik bekannte Trocknungsverfahren als erfindungsgemäßes Verfahren angewendet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Abscheidung der beiden Schichten im Wesentlichen gleichzeitig.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner die Ausbildung eines dritten Schlickers, der Partikel eines zweiten keramischen Materials, eines zweiten Glasmaterials, eines dritten organischen Bindemittels und eines dritten Lösungsmittels umfasst. In einer bevorzugten Ausgestaltung haben der erste Schlicker und der dritte Schlicker im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung, aber die Bestandteile des dritten Schlickers können unabhängig von der Zusammensetzung des ersten Schlickers ausgewählt werden. Das Verfahren umfasst ferner die Abscheidung einer dritten Schicht des dritten Schlickers durch eine Breitschlitzdüse auf die zweite Schicht des zweiten Schlickers, während sich der zweite Schlicker noch in nassem Zustand befindet, jedoch so, dass die zweite und die dritte Schicht im Wesentlichen getrennt bleiben. Vorzugsweise werden alle drei Schichten im Wesentlichen gleichzeitig abgeschieden. In einer Ausgestaltung umfasst der erste (oder erste und dritte) Schlicker die Bestandteile von herkömmlichen LTCC-Tapes, so dass die Erfindung somit ein verbessertes Verfahren für die Ausbildung eines selbsthemmenden Mehrschicht-Tapes vorsieht, welches die Eigenschaften eines herkömmlichen LTCC-Tapes aufrechterhält.
Ein besseres Verständnis einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Ausbildung eines monolithischen dreischichtigen Grünkörper-Tapes, welches als "Nass-auf-Nass-Keramik-Methode" bezeichnet werden kann, ist unter Bezugnahme auf 5 möglich. Die Nass-auf-Nass-Keramik-Methode stellt eine Modifizierung regulärer Druckgusstechniken dar, bei denen nasses keramisches Material durch eine Breitschlitzdüse gespritzt und auf eine Polyesterfolie abgeschieden wird. Die keramischen Schlicker 1A, 2A und 3A werden abgeschieden und in getrennten Behältern 1, 2 und 3 versiegelt. Die Schlicker 1A und 3A haben vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung, können jedoch auch unterschiedlich in der Zusammensetzung sein. Der Schlicker 2A, welcher das feuerfeste keramische Material enthält, bildet die mittlere selbsthemmende Schicht. Die Schlicker 1A, 2A und 3A enthalten jeweils eine Mischung aus der anorganischen Zusammensetzung, dem organischen Bindemittel und dem Lösungsmittel bzw. den Lösungsmitteln. Die Behälter speisen jeweils über getrennte Pumpen und in drei getrennte Breitschlitzdüsen, die in einer bestimmten Konfiguration aneinander angrenzend angeordnet sind. Die drei keramischen Schlicker werden gleichzeitig auf die sich bewegende Trägerfolie 5 abgegeben. Obwohl die Trägerfolie 5 in 5 so abgebildet ist, dass sie sich in Bezug auf die Horizontale in einem Winkel von ungefähr 45 Grad nach oben bewegt, kann sich die Folie horizontal oder sogar vertikal auch in einem anderen Winkel bewegen.
Wie in 5 gezeigt, wird der Schlicker 1A der unteren Schicht durch die Pumpe 1B unten in die Breitschlitzdüsenanordnung 4 gespeist und an der unteren Position angrenzend an die Folie 5 abgeschieden, wodurch auf der Folie 5 eine erste Schicht 8 gebildet wird. Der Schlicker 2A der mittleren Schicht wird durch die Pumpe 26 in der Mitte in die Breitschlitzdüsenanordnung 4 gespeist und auf die erste Schicht 8 auf der Trägerfolie 5 abgeschieden. Der Schlicker 2A bildet somit die mittlere Schicht 7 auf der Trägerfolie 5. Schließlich wird der Schlicker 3A der oberen Schicht durch die Pumpe 3B oben in die Breitschlitzdüsenanordnung 4 gespeist und auf der mittleren Schicht 7 auf der Trägerfolie 5 abgeschieden. Der Schlicker 3A wird abgeschieden, um eine obere Schicht 6 auf der Trägerfolie 5 zu bilden. Es versteht sich, dass diese Schlicker im Wesentlichen gleichzeitig auf eine Weise ähnlich der Koextrusion abgeschieden werden.
Wird eine solche Methode angewendet, erzeugt die Oberflächenspannung zwischen der Trägerfolie und dem viskosen flüssigen Schlicker einen Meniskus an der Phasengrenze zwischen der Düse und der Folie, so dass der keramische Schlicker weiterbefördert werden kann, während sich das Tape mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Aufgrund der hohen Viskosität der einzelnen Schlicker findet keine Durchmischung statt, so dass die drei keramischen Schlicker im Wesentlichen gleichzeitig abgeschieden werden können. Die bevorzugte Schlickerviskosität liegt bei rund 3000 ±500 cps. Die Geschwindigkeit der Trägerfolie hängt von den Trocknungsparametern des Verbund-Tapes ab: Je dicker das Tape, desto langsamer muss sich der Träger bewegen, damit ein ordnungsgemäßes Trocknen stattfinden kann. Indem eine konstante Trägergeschwindigkeit aufrechterhalten wird, wird die gewünschte Dicke der einzelnen Schichten durch Einstellen des Pumpendrucks für jeden einzelnen Behälter erreicht, was weiterhin über die Winkelgeschwindigkeit der Pumpen in UpM gesteuert wird.
Obwohl sich diese Beschreibung auf eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bezieht, versteht es sich, dass Abänderungen möglich sind und von Fachleuten durch Routineversuche festgelegt werden können. Beispielsweise kann die Viskosität des nassen Schlickers in einem Bereich von ca. 500 bis 600 cps verändert werden. Alternativ können der Pumpentyp und der Druck verändert werden und auch die Positionen der Breitschlitzdüsen, z.B. als getrennte Düsen, zwei Düsen zusammen oder mehr als drei Düsen zusammen.
Nach dem Trocknen der die abgeschiedenen Schichten enthaltenden Folie mittels einer Kombination aus Wärme und Luftstrom wie oben beschrieben, kann das Verfahren ferner die haftende Anbringung wenigstens eines elektronischen Schaltungsbauelements an wenigstens einer äußeren Planarfläche des Grünkörper-Tapes umfassen. Bei dem Bauelement kann es sich um ein Bauelement wie oben beschrieben handeln.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann für die Herstellung eines selbsthemmenden Tapes angewendet werden, in dem die Dicke der mittleren Schicht (aus dem zweiten Schlicker gebildet) größer als 20 Mikrometer ist. Wie bereits oben erklärt, ist die Dicke der mittleren Schicht ein wichtiger Faktor für die Regelung des Betrags der X-Y-Schwindung des Tapes bei der letztendlichen Sinterung.
Schließlich sieht diese Erfindung eine Verbesserung des Verfahrens zur Herstellung einer monolithischen Struktur für eine mehrschichtige elektronische Schaltung oder ein hydraulisches Modul vor. Ein hydraulisches Modul enthält Kanäle und/oder Kavitäten, die in der Struktur ausgebildet werden, um zu ermöglichen, dass Flüssigkeiten durch die Struktur fließen, entweder um Leistungsgeräte zu kühlen oder um Strukturen mit Ventilen und Pumpen in dem Tape auszubilden. Diese Kanäle und/oder Kavitäten werden gebildet, indem aus organischen Materialien, wie beispielsweise Wachs oder Polyethylen, gebildete Strukturen mit der gewünschten Form vor dem Laminierungsschritt in dem Tape platziert werden. Diese hinzugefügten Strukturen verschwinden, wenn das organische Bindemittel ausgebrannt wird, und lassen einen offenen Kanal und/oder eine offene Kavität zurück, die nach dem Brennen bleibt.
Das herkömmliche Verfahren zur Herstellung einer derartigen monolithischen Struktur umfasst folgende Schritte: Vorsehen von keramischen Grünkörper-Tapes mit X-Y-Ebene, Aufbringen von elektronischen Schaltungsbauelementen auf die Tapes, Stapeln der Tapes in Z-Richtung, Laminieren der gestapelten Tapes, Erhitzen des Laminats aus gestapelten Tapes, um das organische Bindemittel aus den Tapes zu entfernen, und gemeinsames Brennen („Cofiring") des bindemittelfreien Laminats, um eine monolithische Struktur herzustellen, die im Wesentlichen eine Schwindung nur in Z-Richtung und im Wesentlichen keinerlei Schwindung in der X-Y-Ebene aufweist. Dieses herkömmliche Verfahren erfordert, dass an den Stapel eine äußere Schwindungshemmvorrichtung angelegt wird, wie beispielsweise ein Klemmdruck oder Opferschichten.
Die erfindungsgemäße Verbesserung beinhaltet, dass ein Grünkörper-Tape mit einer selbsthemmenden Schicht vorgesehen und ohne Anwendung einer äußeren Schwindungshemmvorrichtung dem Cofiring unterzogen wird. Wenigstens eines der den laminierten Stapel bildenden keramischen Grünkörper-Tapes umfasst eine Niedertemperatur-Keramikschicht, welche Partikel eines ersten keramischen Materials, eines ersten Glasmaterials und eines ersten organischen Bindemittels enthält. Die selbsthemmende Schicht umfasst vorzugsweise Partikel eines feuerfesten keramischen Materials, eines Benetzungsmittels für das erste Glasmaterial in dem Tape und ein zweites organisches Bindemittel. Diese Bestandteile des Tapes und der selbsthemmenden Schicht sind wie oben beschrieben. Wie oben beschrieben, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Niedertemperatur-Keramikschicht vorzugsweise einen Keimbildner umfasst, dass das keramische Material in der Niedertemperatur-Keramikschicht und das feuerfeste keramische Material in der selbsthemmenden Schicht identisch sind und dass die selbsthemmende Schicht ferner ein Glasmaterial umfasst.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren des „Constrained Sintering", bei dem äußere Schwindungshemmvorrichtungen, wie beispielsweise Druck oder Opferschichten, in das Tape mit aufgenommen werden müssen, vermindert die vorliegende Verbesserung, die eine selbsthemmende Schicht benutzt, die Schwindung in der X-Y-Ebene auf unter ca. 1% und vorzugsweise auf unter ca. 0,2%, ohne dass derartige äußere physikalische oder materielle Schwindungshemmvorrichtungen benötigt werden.
Die vorliegende Erfindung kann mit Hilfe der folgenden besonderen, nichteinschränkenden Beispiele besser verstanden werden.
BEISPIEL 1
Ein dreischichtiges Tape mit identischer oberer und unterer (außenliegender) Niedertemperatur-Keramikschicht und mittlerer selbsthemmender Schicht wurde wie folgt hergestellt. Zur Herstellung der außenliegenden Schichten wurden 336,65 lbs. (ca. 152,70 kg) Schlicker zubereitet, indem die ersten acht in Tabelle 1 gezeigten Bestandteile in einer wassergekühlten Medienmühle (von Premier Mills, im Handel erhältlich) vereinigt wurden, die Aluminiumscheiben an einer rotierenden Welle und Zirconiumdioxid-Pellets als Mixhilfsmittel enthielt. Die entstehende Mischung wurde 9,9 Stunden lang gemahlen. Anschließend wurden die beiden letzten Bestandteile in Ein-Drittel-Schritten zur Mischung hinzugefügt und nach jedem Zufügen gemischt, bis die neu hinzugefügten Stoffe nicht mehr an der Oberfläche zu sehen waren. Nach beendetem Hinzufügen wurde der Mischvorgang zwei weitere Stunden fortgesetzt, um einen homogenen Schlicker mit einer Viskosität von 3620 cps zu erhalten, die mit Hilfe eines Brookfield-Viskosimeters mit einer Spindel Nr. 5 bei 20 UpM bestimmt wurde. Der Schlicker wurde danach gleichmäßig aufgeteilt und in zwei getrennte Behälter gepumpt. Tabelle 1: Zusammensetzung des Schlickers für außenliegende Schichten
Ein Schlicker für die mittlere selbsthemmende Schicht wurde auf ähnliche Weise durch Mischen der in Tabelle 2 aufgelisteten Bestandteile mittels einer Medienmühle zubereitet, die 168 Pfund (ca. 76 kg) Schlicker ergeben sollten. Nach Zufügen der ersten sechs Bestandteile wurde der Mischvorgang 5 Stunden lang durchgeführt. Die beiden letzten Bestandteile wurden wie oben beschrieben zugefügt, zwei weitere Stunden gemischt und in einen dritten Behälter gepumpt. Die Viskosität des Schlickers wurde wie oben beschrieben mit 1500 cps gemessen. Tabelle 2: Zusammensetzung des Schlickers für innenliegende Schicht
Die Schlicker in den drei Behältern wurden anschließend in zwei getrennte, aneinander angrenzend angeordnete Breitschlitzdüsen gepumpt und gleichzeitig auf eine 1,4 mil dicke Polyesterfolie aus Mylar^TM (von DuPont, im Handel erhältlich) abgegeben, die sich mit einer Geschwindigkeit von 10 Fuß/Minute in senkrechter Richtung bewegte. Eine Breitschlitzdüse wurde für die Abscheidung für die Schlicker verwendet, die die untere Niedertemperatur-Keramikschicht und die mittlere selbsthemmende Keramikschicht bildeten, und die zweite Breitschlitzdüse diente der Abscheidung der oberen Niedertemperatur-Keramikschicht.
Das Tape, das die drei Schlickerschichten enthielt, wurde anschließend getrocknet, indem es sequentiell durch vier Heizkammern bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftströmen hindurchgeleitet wurde: 48,8 °C (500 cfm = ca. 236 l/s), 54,4 °C (500 cfm = ca. 236 l/s), 54,4 °C (3000 cfm = ca. 1416 l/s) und 76,7 °C (2000 cfm = ca. 944 l/s). Nach dem Trocknen wurde die Dicke der oberen, mittleren und unteren Schicht mit ca. 2,3 mil, ca. 1,6 mil bzw. 2,3 mil gemessen.
Das entstandene Tape wurde anschließend in 5'' × 5'' große Segmente geschnitten; vier Segmente wurden zusammengestapelt und bei 70 °C und einem Druck von 4000 psi 15 Minuten lang laminiert. Der Stapel wurde dann mit folgendem Profil gesintert. Die Temperatur wurde von Umgebungstemperatur auf 450 °C mit einer Geschwindigkeit von 1 °C/Minute angehoben, um die organischen Bestandteile zu entfernen, und dann auf 870 °C mit 7,5 °C/Minute erhöht.
Dann wurde die Temperatur 30 Minuten lang auf 870 °C gehalten und anschließend mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/Minute auf Umgebungstemperatur abgesenkt. Nach der Sinterung wurde die Schwindung des Tapes in X-Y-Richtung gemessen. Sie betrug 0,154 ±0,0049% bzw. 0,138 ±0,0133%.
BEISPIEL 2-6
Um die Fähigkeit zum Hemmen der Schwindung von Niedertemperatur-Keramik-Tapes mit unterschiedlichen Zusammensetzungen zu untersuchen, wurden fünf dreischichtige Tapes hergestellt, in denen es sich bei der oberen und unteren Schicht um handelsübliche LTCC-Tapes mit den in Tabelle 3 angegebenen Zusammensetzungen handelte. Bei jedem Tape enthielt der Glas-/Keramikbestandteil verschiedene Glasmaterialien, Füllstoffe und Keimbildner, wie in Tabelle 3 angegeben. Die physikalischen Eigenschaften jedes LTCC-Tapes sind in Tabelle 5 angegeben.
Für die mittlere selbsthemmende Schicht wurde ein Schlicker, der die in Tabelle 4 angegebenen organischen und anorganischen Bestandteile in einem Verhältnis von Feststoffen zu organischen Verbindungen von 64,1% enthielt, zubereite, indem er 24 Stunden lang in der Kugelmühle mit Aluminiumoxid als Medium zerkleinert wurde. Der Schlicker wurde mittels der Tape-Casting-Technik mit einem Rakelmesser auf eine 1,4 mil dicke Polyesterfolie aus Mylar^TM (von DuPont, im Handel erhältlich) aufgebracht, um eine 1,6 mil dicke Schicht zu erhalten.
Zur Ausbildung des dreischichtigen Tapes wurde ein Stapel hergestellt, in dem eine selbsthemmende Schicht zwischen zwei identischen LTCC-Schichten angeordnet wurde. Der entstandene Stapel wurde anschließend bei 70 °C und einem Druck von 40.000 psi 15 Minuten lang erhitzt, um ein dreischichtiges Grünkörper-Tape zu bilden. Anschließend wurde das Tape mit dem in Beispiel 1 beschriebenen Temperaturprofil gesintert und gemessen, um die X-Y-Schwindung zu bestimmen.
Wie aus den Daten in Tabelle 5 ersichtlich ist, betrug die X-Y-Schwindung für alle fünf dreischichtigen Tapes gemäß der vorliegenden Erfindung nie mehr als ca. 0,2% und lag in einem Fall bei nur 0,12%. Diese Schwindung ist erheblich niedriger als die Schwindung für frei gesinterte LTCC-Tapes. Außerdem ist ersichtlich, dass durch die Herstellung einer entsprechenden mittleren selbsthemmenden Schicht eine Vielzahl von unterschiedlichen Arten handelsüblicher LTCC-Tapes gehemmt werden können. Tabelle 3: Bestandteile von LTCC-Tapes

^aDie Glas-/Keramik-Mischung enthält Glas-/Keramik-Bestandteile sowie Füllstoffe/Keimbildner, wie angegeben
^bTape 5 enthält sowohl kristallines als auch amorphes Glas

Zwischen den herkömmlichen Verfahren für schwindungshemmende Sinterung („Constrained Sintering") mit Opferfolien und einem monolithischen Schwindungshemmverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen mehrere wesentliche Unterschiede. Beispielsweise wird bei Opfer-Verfahren das schwindungshemmende Material nach dem Brennen entfernt, während es bei monolithischen Verfahren Bestandteil der endgültigen Struktur wird. Bei Opfer-Verfahren besitzt das schwindungshemmende Material nach dem Brennen keine Zugfestigkeit, während das für monolithische Verfahren verwendete schwindungshemmende Material nach dem Brennen ähnliche mechanische Eigenschaften wie das es umgebende LTCC-Tape besitzt. Ferner wird bei der Schwindungshemmung mit Opfermaterial die Glasdiffusion in das schwindungshemmende Material minimiert, während die Glasdurchdringung bei monolithischen Verfahren gesättigt ist. Außerdem befindet sich ein schwindungshemmendes Opfermaterial immer außen am endgültigen Schaltungskörper, während sich bei monolithischen Verfahren das schwindungshemmende Material innen in der Schaltung befindet. Schließlich wird bei Opfer-Verfahren das schwindungshemmende Material bei einer Temperatur gesintert, die erheblich höher als die Brenntemperatur von LTCC ist. Dagegen wird das bei monolithischen Verfah ren verwendete schwindungshemmende Material bei einer unter der Brenntemperatur liegenden Temperatur verschmolzen und wird nach dem Brennen zu einem Bestandteil der endgültigen Struktur.
Diese Unterschiede ergeben sich u.a. aus einer Vielzahl von Vorteilen des monolithischen Schwindungshemmverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber den herkömmlichen Sinterverfahren. Insbesondere weist die monolithische schwindungshemmende Methode im Vergleich zur herkömmlichen freien Sinterung eines gleichmäßigen LTCC-Tapes mindestens zwei Vorteile auf. Erstens kann die X-Y-Schwindung von herkömmlichen Schwindungswerten von ca. 10% bis 15% auf Werte unter ca. 1% und sogar auf unter ca. 0,2% gesenkt werden. Zweitens kann die in einem Bereich von ca. 0.2% bis 0.4% liegende Toleranz bei der X-Y-Schwindung auf unter ca. 0.1% gesenkt werden.
Im Vergleich zur Sinterung mit mechanischer Schwindungshemmung hat die monolithische schwindungshemmende Methode den Vorteil, dass es nicht erforderlich ist, über jedes Einzelteil in einer Brenncharge Aufspannplatten mit entsprechendem Muster zu legen.
Schließlich ist die monolithische schwindungshemmende Methode im Vergleich zur freien Sinterung mit einer schwindungshemmenden Opferschicht vorteilhaft, weil das schwindungshemmende Material nach dem Brennen nicht entfernt werden muss und die Leiter und Widerstände auf der Oberfläche der monolithisch gehemmten LTCC-Struktur gemeinsam gebrannt („Cofiring") werden können. Statt einer Schwindungshemmung nur an der Oberfläche des LTCC-Körpers, unterstützt außerdem das monolithisch schwindungsgehemmte Material vielmehr die Struktur gleichmäßig über die gesamte Dicke des Teils und ermöglicht so die Bildung einer stärkeren Teiledicke und neuartiger Strukturen.
Das selbsthemmende Grünkörper-Tape gemäß der vorliegenden Erfindung kann für eine große Bandbreite an Anwendungen verwendet werden, in denen mit schwindungshemmend gesinterte Teile verwendet werden, und es kann für jede beliebige Anwendung verwendet werden, die die Herstellung von Schaltungen in Mehrschicht-Keramikstrukturen betrifft. Da es keine Fehlanpassung zwischen den Schichten gibt, ist diese Technologie besonders wichtig für die auf die Bildung der Keramikstruktur folgenden Schritte. Sie ist für verschiedene Anwendungen geeignet, wie beispielsweise für elektromechanische Geräte im Biomedizinbereich, um schwindungsfreie Mesostrukturen zu schaffen, und in Sensoranwendungen.
Diese Erfindung sieht somit ein Grünkörper-Tape und ein Verfahren für dessen Gebrauch und Herstellung vor, welches durch die Umgehung vieler Ursachen für die Abmessungsunsicherheit in Keramikteilen und die Beseitigung vieler Schritte für die Entwicklung und Herstellung von Schaltungen, welche zur Vermeidung von Abmessungsfehlern und Fehlanpassungen erforderlich sind, wirtschaftlicher ist. Das schwindungsfreie Tape gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine Materialstruktur, die besonders ausgestaltet ist, um der inneren Schwindung in den beiden X- und Y-Dimensionen entgegenzuwirken.
Die Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung weisen eine Anzahl von Vorteilen auf; dazu gehören keine mechanische Gefährdung durch ungesinterte Partikel, so dass auch keine Delamination stattfindet, kein Opfermaterial, das entfernt werden muss, geregelte Porosität und Kompatibilität mit gemeinsam gebrannten Leiterbahnen, die Möglichkeit, dicke Stapel von Grünkörper-Tapes gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, und die Möglichkeit einer guten Oberflächenhaftung, wenn es sich um vergrabene Materialien handelt. Die Erfindung sieht somit Materialien und Verfahren mit zahlreichen Vorteilen und ohne einen der Nachteile und Mängel bekannter Verfahren und Materialien vor.

Claims

Monolithisches Grünkörper-Tape mit einer X-Y-Ebene und einer Dicke in Z-Richtung zur Verwendung bei LTCC-Verfahren („Low Temperature Ceramic Cofiring"), umfassend: wenigstens eine Niedertemperatur-Keramikschicht, welche Partikel eines ersten keramischen Materials, eines ersten Glasmaterials und eines ersten organischen Bindemittels enthält, und wenigstens eine selbsthemmende Schicht, welche Partikel eines feuerfesten keramischen Materials, eines Benetzungsmittels für das erste Glasmaterial und eines zweiten organischen Bindemittels enthält, wobei das feuerfeste keramische Material nicht bei einer Sintertemperatur der Niedertemperatur-Keramikschicht sintern wird, so dass sich beim Brennen des Grünkörper-Tapes bei der Sintertemperatur des Niedertemperatur-Keramikmaterials die Schichten in Z-Richtung verdichten, die Schwindung in der X-Y-Ebene jedoch unter ca. 1% liegt, ohne dass eine äußere Schwindungshemmvorrichtung verwendet werden muss.
Tape nach Anspruch 1, wobei das Grünkörper-Tape eine zwischen zwei Niedertemperatur-Keramikschichten angeordnete selbsthemmende Schicht umfasst.
Tape nach Anspruch 2, wobei die beiden Niedertemperatur-Keramikschichten im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung haben.
Tape nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine selbsthemmende Schicht eine Dicke aufweist, die größer als ca. 20 Mikrometer ist.
Tape nach Anspruch 1, welches ferner wenigstens ein elektronisches Schaltungsbauelement umfasst, das an wenigstens einer äußeren Planarfläche des Grünkörper-Tapes anhaftet.
Tape nach Anspruch 5, wobei das wenigstens eine Bauelement aus der Gruppe gewählt wird, die aus einem Widerstand, einem Kondensator, einem Varistor, einem Dielektrikum, einer induktiven Struktur und einem Metallleiterbahnenbild besteht.
Tape nach Anspruch 1, wobei das feuerfeste keramische Material aus der Gruppe gewählt wird, die aus einem anorganischen Oxid, einem Metallsilikat, einem Metallcarbid, einem Metallbromid, einem Metallnitrid und einem Mineral besteht.
Tape nach Anspruch 7, wobei das anorganische Oxid aus der Gruppe gewählt wird, die aus Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Anorthit, Mullit, Perowskit und Siliciumdioxid besteht.
Tape nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines aus dem ersten organischen Bindemittel oder dem zweiten organischen Bindemittel ein Polymerharz und wenigstens ein Mittel aus der Gruppe umfasst, die aus einem Plastifizier- und einem Dispergiermittel besteht.
Tape nach Anspruch 1, wobei das Benetzungsmittel für das erste Glasmaterial aus der Gruppe gewählt wird, die aus Siliziumdioxid, einem Metalloxid und einem Silikat besteht.
Tape nach Anspruch 10, wobei das Benetzungsmittel für das erste Glasmaterial Lithiummetasilikat umfasst.
Tape nach Anspruch 1, wobei die Schwindung in der X-Y-Ebene beim Brennen des Grünkörper-Tapes nicht über ca. 0,2% liegt.
Tape nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine selbsthemmende Schicht ferner wenigstens ein Glasmaterial umfasst.
Tape nach Anspruch 1, wobei das erste keramische Material und das feuerfeste keramische Material das gleiche Material umfassen.
Tape nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Niedertemperatur-Keramikschicht ferner einen Keimbildner umfasst.
Tape nach Anspruch 15, wobei der Keimbildner aus der Gruppe gewählt wird, die aus Titandioxid, Zirconiumdioxid, Anorthit, Molybdänoxid, Wolframoxid und Magnesium-Kobalt-Spinell besteht.
Dichte, monolithische, selbsthemmende, durch Niedertemperatur-Cofiring hergestellte Mehrkomponentenstruktur, die einen Stapel von wenigstens zwei mehrschichtigen Keramiksubstraten umfasst, wobei auf oder in jedem Substrat wenigstens ein elektronisches Schaltungsbauelement befestigt ist, jedes Substrat wenigstens eine Niedertemperatur-Keramikschicht, welche gesinterte Partikel eines ersten keramischen Materials und eines ersten Glasmaterials enthält, und wenigstens eine selbsthemmende Schicht umfasst, welche Partikel eines feuerfesten keramischen Materials und eines Benetzungsmittels für das erste Glasmaterial enthält, wobei das feuerfeste keramische Material und das Benetzungsmittel wenigstens teilweise mit dem ersten Glasmaterial verschmolzen sind.
Struktur nach Anspruch 17, wobei jedes Substrat eine zwischen zwei Niedertemperatur-Keramikschichten angeordnete selbsthemmende Schicht umfasst.
Struktur nach Anspruch 17, wobei der Stapel ferner wenigstens ein weiteres Substrat umfasst, welches eine einzelne Schicht umfasst, die gesinterte Partikel eines zweiten keramischen Materials und eines zweiten Glasmaterials enthält, wobei das weitere Substrat an wenigstens einer Niedertemperatur-Keramikschicht anliegt.
Struktur nach Anspruch 19, wobei der Stapel ferner wenigstens zwei weitere Substrate umfasst, von denen eines oben im Stapel und eines unten im Stapel positioniert ist.
Struktur nach Anspruch 19, wobei das wenigstens eine weitere Substrat zwischen zwei Mehrschichtsubstraten positioniert ist und an diesen anliegt.
Struktur nach Anspruch 17, wobei die wenigstens eine Niedertemperatur-Keramikschicht ferner einen Keimbildner in einer Menge umfasst, die wirkungsvoll genug ist, um die Porosität zwischen der wenigstens einen Niedertemperatur-Keramikschicht und der wenigstens einen selbsthemmenden Schicht zu minimieren.
Struktur nach Anspruch 22, wobei der Keimbildner aus der Gruppe gewählt wird, die aus Titandioxid, Zirconiumdioxid, Anorthit, Molybdänoxid, Wolframoxid und Magnesium-Kobalt-Spinell besteht.
Struktur nach Anspruch 17, wobei das erste keramische Material und das feuerfeste keramische Material das gleiche Material umfassen.
Struktur nach Anspruch 17, wobei das wenigstens eine elektronische Schaltungsbauelement aus der Gruppe gewählt wird, die aus einem Widerstand, einem Kondensator, einem Varistor, einem Dielektrikum, einer induktiven Struktur und einem Metallleiterbahnenbild besteht.
Verfahren zur Herstellung eines monolithischen mehrschichtigen Grünkörper-Tapes, welches folgende Schritte umfasst: (a) Ausbilden eines ersten Schlickers, welcher Partikel eines ersten keramischen Materials, eines ersten Glasmaterials, eines ersten organischen Bindemittels und eines ersten Lösungsmittels umfasst, (b) Ausbilden eines zweiten Schlickers, welcher Partikel eines feuerfesten keramischen Materials, eines zweiten organischen Bindemittels und eines zweiten Lösungsmittels umfasst, (c) Abscheiden einer ersten Schicht eines Schlickers aus dem ersten bzw. zweiten Schlicker durch eine Breitschlitzdüse auf einen Träger, (d) Abscheiden einer zweiten Schicht des jeweils anderen Schlickers aus dem ersten bzw. zweiten Schlicker durch eine Breitschlitzdüse auf den einen Schlicker, während sich der eine Schlicker noch in nassem Zustand auf dem Träger befindet, jedoch so, dass die erste und die zweite Schicht im Wesentlichen einzeln bleiben, und (e) Trocknen der abgeschiedenen Schlicker, um im Wesentlichen die Lösungsmittel, jedoch nicht die Bindemittel zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der zweite Schlicker ferner ein Benetzungsmittel für das erste Glasmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Benetzungsmittel für das erste Glasmaterial aus der Gruppe gewählt wird, die aus Siliciumdioxid, einem Metalloxid und einem Silikat besteht.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Benetzungsmittel für das erste Glasmaterial Lithiummetasilikat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Schritte (c) und (d) im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der eine Schlicker aus Schritt (c) der erste Schlicker ist und der andere Schlicker aus Schritt (d) der zweite Schlicker ist und das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: (f) Ausbildung eines dritten Schlickers, der Partikel eines zweiten keramischen Materials, eines zweiten Glasmaterials, eines dritten organischen Bindemittels und eines dritten Lösungsmittels umfasst, und (g) Abscheiden einer dritten Schicht des dritten Schlickers durch eine Breitschlitzdüse auf den zweiten Schlicker, während sich der zweite Schlicker noch in nassem Zustand befindet, jedoch so, dass die zweite und die dritte Schicht im Wesentlichen getrennt bleiben.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Schritte (c), (d) und (g) im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der erste Schlicker und der dritte Schlicker im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung haben.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das feuerfeste keramische Material aus der Gruppe gewählt wird, die aus einem anorganischen Oxid, einem Metallsilikat, einem Metallcarbid, einem Metallbromid, einem Metallnitrid und einem Mineral besteht.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei das anorganische Oxid aus der Gruppe gewählt wird, die aus Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Anorthit, Mullit, Perowskit und Siliciumdioxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei wenigstens eines aus dem ersten organischen Bindemittel oder dem zweiten organischen Bindemittel ein Polymerharz und wenigstens ein Mittel aus der Gruppe umfasst, die aus einem Plastifizier- und einem Dispergiermittel besteht.
Verfahren nach Anspruch 26, welches ferner Schritt (h) umfasst, in dem wenigstens ein elektronisches Schaltungsbauelement an wenigstens einer äußeren Planarfläche des Grünkörper-Tapes anhaftet.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei das wenigstens eine Bauelement aus der Gruppe gewählt wird, die aus einem Widerstand, einem Kondensator, einem Varistor, einem Dielektrikum, einer induktiven Struktur und einem Metallleiterbahnenbild besteht.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Schicht des zweiten Schlickers eine Dicke besitzt, die größer als ca. 20 Mikrometer ist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der zweite Schlicker ferner wenigstens ein Glasmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der erste Schlicker ferner einen Keimbildner umfasst.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Keimbildner aus der Gruppe gewählt wird, die aus Titandioxid, Zirconiumdioxid, Anorthit, Molybdänoxid, Wolframoxid und Magnesium-Kobalt-Spinell besteht.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das erste keramische Material und das feuerfeste keramische Material das gleiche Material umfassen.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Struktur für eine elektronische Mehrschichtschaltung oder ein hydraulisches Modul, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Vorsehen von Grünkörper-Keramik-Tapes mit jeweils einer X-Y-Ebene, Aufbringen von elektronischen Schaltungsbauelementen auf den Tapes, Stapeln der Tapes in Z-Richtung, Laminieren der gestapelten Tapes, Erhitzen des Laminats aus gestapelten Tapes, um das organische Bindemittel aus den Tapes zu entfernen, und gemeinsames Brennens („Cofiring") des bindemittelfreien Laminats, um die monolithische Struktur mit einer im Wesentlichen nur in Z-Richtung verlaufenden Schwindung und im Wesentlichen keiner Schwindung in den X-Y-Ebenen herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorsehens der Grünkörper-Keramik-Tapes das Vorsehen wenigstens eines Tapes mit einer selbsthemmenden („self-constraining") Schicht umfasst und der Schritt des gemeinsamen Brennens („Cofiring") ohne Anwendung einer äußeren Schwindungshemmvorrichtung erfolgt, wobei wenigstens ein Grünkörper-Keramik-Tape eine erste Niedertemperatur-Keramikschicht umfasst, welche Partikel eines ersten keramischen Materials, eines ersten Glasmaterials und eines ersten organischen Bindemittels enthält, und die selbsthemmende Schicht Partikel eines feuerfesten keramischen Materials, eines Benetzungsmittels für das erste Glasmaterial und eines zweiten organischen Bindemittels enthält.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das feuerfeste keramische Material aus der Gruppe gewählt wird, die aus einem anorganischen Oxid, einem Metallsilikat, einem Metallcarbid, einem Metallbromid, einem Metallnitrid und einem Mineral besteht.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei das anorganische Oxid aus der Gruppe gewählt wird, die aus Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Anorthit, Mullit, Perowskit und Siliciumdioxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das Benetzungsmittel für das erste Glasmaterial aus der Gruppe gewählt wird, die aus einem Siliciumdioxid, einem Metalloxid und einem Silikat besteht.
Verfahren nach Anspruch 47, wobei das Benetzungsmittel Lithiummetasilikat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei die selbsthemmende Schicht ferner wenigstens ein Glasmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei die erste Niedertemperatur-Keramikschicht ferner einen Keimbildner umfasst.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei der Keimbildner aus der Gruppe gewählt wird, die aus Titandioxid, Zirconiumdioxid, Anorthit, Molybdänoxid, Wolframoxid und Magnesium-Kobalt-Spinell besteht.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das erste keramische Material und das feuerfeste keramische Material das gleiche Material umfassen.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei die Schwindung in der X-Y-Ebene unter ca. 1% liegt.
Verfahren nach Anspruch 53, wobei die Schwindung in der X-Y-Ebene nicht über 0,2% liegt.