Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Durchkontaktierungen in Leiterplatten und solcherart hergestellte Leiterplatten.

Keramische Leiterplatten müssen oft von beiden Seiten elektrisch kontaktierbar sein und eine Durchkontaktierung durch die Leiterplatte ermöglichen. Dies erfolgt im Allgemeinen durch in der Leiterplatte vorgesehene Löcher, die mit elektrisch leitendem Material gefüllt sind. Solche Durchkontaktierungen oder Vias weisen üblicherweise Durchmesser von etwa 100 bis 300 μιτι auf.

Als elektrisch leitendes Material sind heute vergleichsweise teure Silber- oder andere Edelmetallpasten üblich, die aus einem oder mehreren Metallpulvern, gegebenenfalls einem Haftglasanteil von 1 - 10 Gew.-%, beispielsweise PbO, B2O3, B12O3 oder S1O2, und einer hochsiedenden Organik, umfassend Binder wie Ethylcellulose oder Polyvinylbutyral, und Lösungsmitteln wie Terpineol oder Texanol, zusammengesetzt sind. Wenn das Substratmaterial für die Leiterplatten aus AIN besteht, können ZnO, S1O2, CaO, ΤΊΟ2 und B2O3 als Haftgläser verwendet werden.

Zunehmend finden als elektrisch leitende Materialien auch Kupfermetallisierungen Verwendung, wobei zum Verfüllen der Vias oft Pasten gefüllt mit Kupferpartikeln mit Durchmessern von etwa 1 bis 10 μιτι und einem Haftglasanteil verwendet werden. Anschließend wird das Material bei 650 bis 1200°C in einer Stickstoffatmosphäre mit einem geringen Anteil Sauerstoff (< 1 -100 ppm) eingebrannt. Bei der Verwendung von Kupferpasten ergibt sich das Problem, dass sie beim Einbrennen stark schrumpfen, reißen und/oder aus den Vias wieder heraus fallen - wenn sie nur aus den oben üblichen genannten Substanzen bestehen. Es können dann in der Metallisierung oder im Anbindungsbereich der Flächenmetallisierung große Hohlräume und/oder Risse entstehen. Im schlimmsten Fall können die Vias zu einem Stift versintern und aus dem Loch heraus fallen. In den Fällen, in denen Risse oder Hohlräume entstehen, weisen die Durchkontaktierungen einen erhöhten elektrischen Widerstand auf und sind auch nicht hermetisch dicht. Die Dichtigkeit gegenüber der umgebenden Atmosphäre ist insbesondere wichtig, wenn sauerstoffempfindliche Teile, beispielsweise Schaltungen (Si), LEDs oder OLEDs verbaut werden sollen. Nach oben sind diese Bauteile meist durch aufgelötete oder geklebte Deckel, Linsen oder Ähnliches geschützt. Aber auch von unten darf keine Luft oder Feuchtigkeit einziehen können, was unter anderem durch hermetisch dichte Metallisierungen der Durchkontaktierungen realisiert wird.

Der Schrumpfung des elektrisch leitfähigen Materials beim Sintern versucht man durch die Zugabe von Haftglas entgegen zu wirken. Trotz des in der Paste enthaltenen Haftglases sind die negativen Auswirkungen der Schrumpfung häufig jedoch zumindest nicht ausreichend zu vermeiden.

Besonders problematisch ist diese Erscheinung bei AIN-Keramiken, weil nur wenige Stoffe das AIN in der Hitze unzersetzt lassen. AIN ist nur metastabil und zersetzt sich unter Bildung der energieärmsten Aluminiumverbindung AI2O3 unter bestimmten Bedingungen. Einige Oxide wie insbesondere das gern verwendete B12O3 oder das früher übliche PbO greifen AIN heftig an, unter Zersetzung zu Aluminiumoxid, Blei und Stickstoff nach folgender Reaktionsgleichung:

2 AIN + 3 PbO AI2O3 + 3 Pb + N ₂ .

Andere Oxide wie ZnO zersetzen AIN nur langsam und sind daher als Bindemittel der Metallisierung zur Keramik besser geeignet. Außerdem ist bei AIN auf einen geringen TCE (thermischer Ausdehnungskoeffizient) zu achten, damit die Verbindung nicht reißt.

Klassische Zuschlagstoffe wie Bleioxid oder Wismutoxid sind darüber hinaus aus Umweltschutzgründen zu vermeiden oder reagieren zu stark mit AIN. Der infolge der Zersetzungsreaktion aus dem AIN entstehende Stickstoff, siehe oben, macht die Metallisierung porös und treibt sie auf.

Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Verfügung zu stellen mit dem Durchkontaktierungen, die sicher in den Löchern der Leiterplatten halten und gute Eigenschaften in Bezug auf die Stromleitung aufweisen, herstellbar sind. Das bereitgestellte Verfahren sollte sich soweit wie möglich an übliche Verfahren anlehnen, um kostspielige Umrüstungen zu vermeiden. Darüber hinaus sollen Materialien bereitgestellt werden, die die Herstellung von Durchkontaktierungen hoher Qualität bei geringem Aufwand ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Metallisierung gemäß Anspruch 12 gelöst. Die Unteransprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Demgemäß umfasst ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Durchkontaktierungen, das die Schrumpfung der Pasten beim Einbrennen vermeidet oder im Wesentlichen jedenfalls stark vermindert, folgende Schritte: Mischen einer Paste, Einbringen der Paste in Löcher einer Leiterplatte und Aushärten der Paste unter Wärmeeinwirkung. Die Paste umfasst dabei zumindest ein elektrisch leitfähiges Material und Füllstoffe, wobei die Füllstoffe beim Aushärten eine Volumenzunahme erfahren, so dass ein Volumenschrumpf des elektrisch leitfähigen Materials durch das Aushärten bei Wärmeeinwirkung ausgeglichen wird.

Die Erfindung ist grundsätzlich für Leiterplatten aller Materialien geeignet, besonders bevorzugt werden jedoch Leiterplatten aus Keramik, insbesondere aus einer Keramik auf Basis von AIN oder AI2O3.

Als elektrisch leitfähiges Material können bevorzugt Kupferpartikel, insbesondere mit einer mittleren Korngröße d50 zwischen 1 und 10 μιτι verwendet werden. Andere leitfähige Substanzen, insbesondere für diese Zwecke übliche Metalle oder Metalllegierungen können jedoch auch Verwendung finden.

Die erfindungsgemäßen Füllstoffe können beispielsweise nitridbildende Substanzen sein, die der Paste zugeben werden. Beim Einbrennen unter einer Stickstoffatmosphäre nitrieren diese Substanzen oder Füllstoffe und erfahren durch die Nitrierung eine Volumenvergrößerung. Diese Volumenvergrößerung gleicht Volumenverminderungen des leitfähigen Materials, z.B. durch Versintern der Partikel, zumindest weitgehend wieder aus.

Solche nitridbildenden Substanzen können insbesondere Aluminium, Titan, Zirkonium und/oder Mischungen dieser Substanzen sein. Bevorzugt werden diese Materialien in Mengen von 1 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.-% der Mischung zur Herstellung der Pasten zugegeben.

Weitere Substanzen, die bei der Aushärtung oder Umwandlung unter Wärmeeinwirkung eine Volumenzunahme erfahren, können blähende Nichtmetalle sein, insbesondere Tone. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die blähenden Nichtmetalle zwischen 1 und 10 Gew.-%, bevorzugt zwischen 2 und 5 Gew.-% der Mischung zur Herstellung der Pasten ausmachen.

Blähende Tone umfassen beispielsweise Bentonit oder Montmorillonit, die darüber hinaus vorteilhaft eine hohe Affinität zu AIN- oder AI ₂ O3-Keramiken aufweisen. Eine Affinität der Füllstoffe im Allgemeinen zur verwendeten Keramik ist überhaupt wünschenswert, um einen sicheren Halt der Metallisierung bzw. des elektrisch leitfähigen Materials in den Löchern der Leiterplatte zu gewährleisten. Bezüglich der Erfindung wird Affinität wie folgt verstanden: Die Fähigkeit des elektrisch leitfähigen Materials mit dem Material der Keramik eine feste Verbindung einzugehen, die auch bei mechanischer Belastung nicht sofort gelöst wird. Unter dem Begriff„Verbindung" wird nicht nur eine chemische Verbindung verstanden, sondern allgemein das haltbare Zusammenfügen von Stoffen.

Jede der genannten Substanzen oder Füllstoffe kann alleine oder in Verbindung mit anderen den Volumenschrumpf des elektrischen leitfähigen Materials ausgleichen.

Die genannten Metalle, die als Füllstoffe zugegeben werden, zeigen bei der Nitridbildung ebenso wie der Ton eine Volumenvergrößerung, welche den Schrumpf des elektrisch leitfähigen Materials, insbesondere des Kupfers, ausgleicht. Die Haftung zwischen der Metallisierung und dem Leiterplattensubstrat kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung durch nur langsam mit dem Substratmaterial reagierende Oxide verbessert werden. Besteht das Substratmaterial beispielsweise aus AIN können als nur langsam mit dem Substratmaterial reagierende Oxide ZnO, S1O2, CaO, ΤΊΟ2 und B2O3 eingesetzt werden. Darüber hinaus kann als haftvermittelnde Substanz auch CuCI zugesetzt werden, das unter Wärmeeinwirkung elementares Kupfer bildet.

Darüber hinaus können zusätzlich noch Haftgläser zugegeben werden. Bei einem AI ₂ O3-Keramiksubstrat werden bevorzugt Bi ₂ O3-haltige Haftgläser verwendet. Diese Gläser weisen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TCE) auf, der Risse durch Spannungen beim Aushärten der Paste verhindert. Anstelle oder zusätzlich können auch ZnO-haltige Haftgläser zugegeben werden.

Bei AIN-Keramiken als Leiterplattensubstrat werden bevorzugt ZnO-haltige Haftgläser zugegeben. Bi ₂ O3-haltige Haftgläser wie sie bei AI ₂ O3-haltigen Keramiksubstraten bevorzugt verwendet werden, eignen sich dagegen nicht besonders für AIN-Keramiken, da sich diese Gläser schlecht mit AIN verbinden und ihre Zugspannung zu Rissen in den AIN-Keramiken führen kann.

Eine generelle Formulierung für eine Metallisierung kann wie folgt aussehen:

Öl, thixotrop 5 - 20 Gew.-%, bevorzugt 8 - 12 Gew.-%,

Öl, Siebdruckmedium 5 - 20 Gew.-%, bevorzugt 8 - 12 Gew.-%,

elektrisch leitf. Material 10 - 89 Gew.-%, bevorzugt 50 - 80 Gew.-%

Füllstoffe, gesamt 2 - 25 Gew.-%, bevorzugt 4 - 15 Gew.-%, davon

nitridbildende Substanzen, jeweils 1 - 10 Gew.-%, bevorzugt 2 - 5 Gew.-%, blähende Nichtmetalle, jeweils 1 - 10 Gew.-%, bevorzugt 2 - 5 Gew.-%, haftvermittelnde Substanz, jeweils 0,1 - 5 Gew.-%.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen näher erläutert. Die Beispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind in keiner Weise als die Erfindung beschränkend zu betrachten. Es wird eine Paste zur Metallisierung von Durchkontaktierungen in einem AIN- oder einem AI ₂ O3-Keramiksubstrat nach folgender Rezeptur hergestellt:

Ol THIXOTROP 10 Gew.-%

Öl Siebdruckmedium 10 Gew.-%

Kupferpulver, d50 =10 μιτι 1 -90%, bevorzugt 50 Gew.-%

Kupferpulver, d50 = 1 μιτι 0-50%, bevorzugt 12 Gew.-%

Aluminiumpulver, d50 = 8 μιτι 0,1 -10%, bevorzugt 5 Gew.-%

Bentonit, d50 = 12 μηη 0,0-10%, bevorzugt 5 Gew.-%

Zinkoxid, d50 = 5 μιτι 0,1 - 5%, bevorzugt 2 Gew.-%

Quarzmehl, d50 = 6 μιτι 0,1 - 5%, bevorzugt 1 ,5 Gew.-%

Boroxid, d50 = 10 μιτι 0,1 - 5%, bevorzugt 1 ,5 Gew.-%

Kupfer(l)-chlorid, d50 = 5 μιτι 0,1 - 5%, bevorzugt 3 Gew.-%

Die festen abgewogenen Bestandteile der Paste werden mit einem Spachtel in einer Wanne vermengt. Anschließend werden die abgewogenen Öle hinzugegeben. Als thixotropes Öl kann bevorzugt HERAEUS 212/thix gewählt werden, das mit Öl HERAEUS 213 verflüssigt wird. Die Stoffe werden mit dem Spachtel grob vermengt und dann durch ein Dreiwalzwerk (z.B. EXAKT o.ä.) zweimal langsam (etwa 1 -2 kg/min) durchgezogen.

Es wird ein Keramiksubstrat aus AIN mit einer Stärke von 0,5 mm verwendet; die zu verfüllenden Vias weisen einen Durchmesser von 0,15 mm auf. Die Paste wird in ein Sieb mit Öffnungen direkt über den Vias, d.h. den zu verfüllenden Löchern in dem gesinterten keramischen Substrat, gegeben. Ein Kunststoffrakel streicht die Paste dann in die Vias. Die Vias können grün gestanzt oder gebrannt gelasert worden sein. Niedrig sinternde Glaskeramiksubstrate (etwa 900-930°C) können auch im noch glasigen Zustand gefüllt und anschließend mit der eingefüllten Paste keramisiert werden. Die Korngrößen der Bestandteile der Paste sollten vorzugsweise 20 μιτι nicht übersteigen, da sie sonst die üblichen Siebgewebe verstopfen und eine ungenügende Reaktivität aufweisen können. Dies kann zu unerwünschter Hohlraumbildung oder zu zu wenigen Reaktionspartnern in der Nähe führen. Zum Einbringen der Paste in die Löcher des Keramiksubstrats werden Siebdruckverfahren bevorzugt, da die Bedruckung der Leiterplatten häufig mittels Siebdruckverfahren erfolgt und daher diese Art des Aufbringens verfahrensökonomisch und einfach zu realisieren ist. Grundsätzlich sind aber auch alle anderen Verfahren möglich mit denen die Löcher der Leiterplatte mit der Paste befüllt werden können.

Das Einbrennen erfolgt bei Temperaturen zwischen 800 und 1000°C, bevorzugt bei 900°C unter Stickstoffatmosphäre mit einem geringen Sauerstoffpartialdruck und wurde in dem vorgenannten Beispiel bei 900°C für 10 min auf Maximaltemperatur durchgeführt; der Sauerstoffpartialdruck betrug im obengenannten Beispiel 10 ppm.

Im Ergebnis zeigt sich, dass die Vias oder Durchkontaktierungen gut gefüllt sind, leicht porös sind, und dass das Kupfer an der AIN-Keramik haftet. Die Metallisierung verschließt ein Loch in der Leiterplatte hermetisch dicht. Der Helium- Integralprüfungs-Lecktest aus DIN EN 1779:1999 ergibt 10 ^"8 mbar/l ^* sec.

Im Vergleich dazu wurde in ein AIN-Substrat eine Paste ohne Zuschlagstoffe, nur mit Kupfer, also ohne Aluminium und Bentonit in die Vias gefüllt und eingebrannt.

Die Metallisierung zeigt große Hohlräume und haftet an einigen Stellen nicht an der Wandung. Der elektrische Widerstand ist rissbedingt um 30% höher als im Beispiel oben, die Vias sind nicht hermetisch dicht (Helium-Lecktest > 10 ^"6 mbar/l ^* sec).