阅读说明：本技术 在陶瓷制成的载体层中制造过孔的方法和含过孔的载体层 (Method for producing a via in a carrier layer made of ceramic and carrier layer containing a via ) 是由 卡斯滕·施密特 斯特凡·布里廷 安德烈亚斯·迈尔 雷纳·赫尔曼 马丁·雷格 于 2018-07-04 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种用于在由陶瓷制成的载体层(1)中制造过孔(3)的方法,所述方法包括：-提供载体层(1)；-在载体层中实现穿通留空部(2)；-用膏至少部分地填充穿通留空部；以及-执行接合法,用于将金属化部接合到载体层上,尤其活性焊接法或DCB法,其中在执行接合法时由穿通留空部中的膏来实现过孔。(The invention relates to a method for producing a via (3) in a carrier layer (1) made of ceramic, comprising: -providing a carrier layer (1); -realizing a through-going vacancy (2) in the carrier layer; -at least partially filling the through-going vacancy with paste; and-performing a bonding method for bonding the metallization to the carrier layer, in particular an active soldering method or a DCB method, wherein the via is realized by a paste which penetrates through the remaining space when the bonding method is performed.)

在陶瓷制成的载体层中制造过孔的方法和含过孔的载体层

技术领域

本发明涉及一种用于在由陶瓷制成的载体层中制造过孔的方法和一种具有过孔的载体层。

背景技术

这种载体衬底例如作为电路板或印刷电路板已知。典型地，在载体衬底的载体上侧上设置金属化部，所述金属化部随后可以用于构成印制导线。对于专门应用，如下载体层证实为是特别有利的，所述载体层为了各个电器件和印制导线的电绝缘而具有带有高的电绝缘强度的绝缘层，如例如由陶瓷制成的载体层。

为了能够实现电器件或电子器件的尽可能紧凑的设置并且为了减少或抑制寄生感应效应，证实为有意义的是，将附加的金属化部不仅在载体上侧上接合，而且在与载体上侧相对置的载体下侧上接合，并且彼此相对置的金属化部例如经由穿过载体层的过孔彼此导电地连接。对此的实例从DE 197 53 149 A1或DE 19 945 794 C2中已知。

从JP H06-13 726 A中已知一种具有过孔的陶瓷衬底。在此，在将金属化部接合到上侧上时实现过孔。为此，含银的和含铜的膏进入到相应的孔中。

从EP 1 478 216 A1中已知一种方法，其中将膏引入到穿通孔中并且在施加铜薄膜之前硬化。

发明内容

本发明的目的是，提出一种相对于从现有技术中已知的方法改进的方法，借助所述方法能简单地且可控地制造所述过孔。

所述目的通过根据权利要求1所述的用于在由陶瓷制成的载体层中制造过孔的方法和通过根据权利要求15所述的载体层来实现。本发明的其他优点和特征在从属权利要求以及说明和附图中得出。

根据本发明提出一种用于在由陶瓷制成的载体层中制造过孔的方法，所述方法包括：

-提供载体层；

-在载体层中实现穿通留空部；

-用膏至少部分地填充穿通留空部；以及

-执行接合法，用于将金属化部接合到载体层上，尤其执行活性焊接法或DCB法，

-其中在执行接合法时由膏在穿通留空部中实现过孔。

与现有技术中的方法相反地，有利地在用于将金属化部接合到载体层上的活性焊接法期间制造过孔。通过同时构成过孔，有利地省去否则所需的附加的工作步骤，借助所述工作步骤构成过孔。在此尤其在活性焊接法中充分利用，在执行活性焊接法时所使用的温度也可以用于构成过孔。在此尤其提出，膏包括活性焊料材料。在此可以涉及用于构成载体层和金属化部之间的连接的相同的活性焊料材料，或者涉及其他焊料材料，如例如玻璃填充的硬焊料，尤其基于AgCu。在借助于DCB法接合金属化部的情况下优选使用膏，其熔化范围低于在DCB法中所设置的温度。

尤其提出，载体层具有Al₂O₃、Si₃N₄、AlN或HPSX陶瓷(也就是说，具有Al₂O₃基体的陶瓷，其包括x百分比份额的ZrO₂，例如是具有9％的ZrO₂的Al₂O₃＝HPS9或具有25％的ZrO₂的Al₂O₃＝HPS25)。优选地，载体层具有载体上侧和载体下侧，在所述载体上侧和载体下侧上可分别安置有金属化部。载体上侧和载体下侧之间的间距，也就是说载体层的厚度例如采用在30μm和3mm之间的值。金属化部例如由铜、铜合金、钼Mo、钨W、复合材料或类似物制成，并且具有在30μm和3mm之间的厚度。为了构成导轨或连接区域，将涂覆在载体层上的金属化部在接合工艺之前和/或在接合工艺之后至少部分地结构化，例如刻蚀掉，以便将金属化部的各个区域彼此电绝缘。

优选地，穿通留空部是穿通孔，所述穿通孔在已经烧结的陶瓷的情况下机械地和/或光学地，例如借助于激光引入到载体层中。

本领域技术人员将“DCB法”(Direct-Copper-Bond-Technology，直接铜接合工艺)理解为如下方法，所述方法例如用于将金属化部或金属板(例如铜板或铜薄膜)彼此和/或与陶瓷或陶瓷层连接，更确切地说利用金属板或铜板或金属薄膜或铜薄膜，所述金属板或铜板或金属薄膜或铜薄膜在其表面侧上具有由金属和反应性气体，优选氧气组成的化学化合物构成的层或涂层(熔化层)。在例如在US-PS 37 44 120或在DE-PS 23 19 854中所描述的所述方法中，所述层或所述涂层(熔化层)形成熔化温度低于金属(例如铜)的熔化温度的低共熔混合物，使得通过将薄膜铺设到陶瓷上和通过加热所有层可以将其彼此连接，更确切地说通过基本上仅在熔化层或氧化层的区域中熔化金属或铜。

尤其，DCB法于是例如具有如下方法步骤：

-将铜薄膜氧化成，使得得出均匀的氧化铜层；

-将铜薄膜铺设到陶瓷层上；

-将复合物加热到在大约1065℃至1083℃之间，例如大约1071℃的工艺温度上；

-冷却至室温。

将例如用于将金属化部或金属薄膜，尤其铜层或铜薄膜与陶瓷材料连接的活性焊接法理解为如下方法，所述方法也专门用于制造金属陶瓷衬底。在此，在大约在650℃至1000℃之间的温度下，利用硬焊料建立在金属薄膜，例如铜薄膜和陶瓷衬底，例如氮化铝陶瓷之间的连接，所述硬焊料除了主要成分，如铜、银和/或金以外还包含活性金属。例如是组Hf、Ti、Zr、Nb、Ce中的至少一种元素的所述活性金属通过化学反应建立在焊料和陶瓷之间的连接，同时在焊料和金属之间的连接是金属硬焊连接。

根据本发明的另一实施方式提出，通过所述方法设定过孔的特定的电阻。例如，通过穿通留空部的大小和/或穿通孔的填充度来设定电阻。由此能有利地有针对性地实现电阻。尤其能够使穿通留空部的大小和/或填充度的选择匹配于一方的载体层的和另一方的形成过孔的覆层或填充部的相应的膨胀系数，以便降低在制成的载体层中构成热机械应力的概率。

在本发明的另一实施方式中提出，通过设定接合法的一个或多个工艺参数来设定过孔的电阻。由此能有利地在没有大的附加耗费的情况下设定过孔的电阻。例如，通过在接合法期间的硬化的膏，改变穿通留空部的电有效的填充度或者在穿通留空部中的填充金属的壁厚。优选地，为此使用膏，所述膏包括玻璃焊料或陶瓷粉末或者用所述玻璃焊料或陶瓷粉末填充，其中玻璃焊料或陶瓷粉末在接合法中是由不传导的材料构成的基体。

适宜地提出，用膏覆盖穿通留空部的内侧，其中穿通留空部优选至少部分地，优选完全地填充。通过穿通孔的内侧的覆盖或覆层，将膏有利地安置在如下区域中，在该区域中膏根据所述方法形成过孔。在此可设想，膏仅覆盖穿通留空部的内侧的一部分。为了之后可以提供在载体上侧和载体下侧之间的导电连接，膏连续地从载体上侧延伸直至载体下侧。优选地，穿通留空部部分地在边缘处或完全地用膏填充。由此提供尽可能稳定的过孔。此外，用膏的完全填充与将金属块引入到穿通留空部中以形成过孔的方法相比证实为更简单。也可考虑，通过接合法，尤其通过接合法的选择的参数，与在填充穿通孔时或直接在填充穿通孔之后的填充度相比，在制成的状态中穿通留空部的填充度降低。尤其可考虑的是，在接合法期间构成包括在过孔中的空腔。特别优选地提出，在接合法之后的填充度具有在20％和100％之间、优选在40％和100％之间并且特别优选在60％和100％之间的值。本领域技术人员将填充度尤其理解为在材料填充的体积份额与未被填充的穿通留空部的总体积之间的比值。在此，未被填充的穿通留空部由载体层限界并且分别与载体下侧和/或载体上侧齐平。

根据本发明的另一实施方式提出，过孔构成为具有覆层厚度的穿通留空部的内侧的覆层，其中确定接合法的参数设定成，使得设定特定的覆层厚度。在预设的涂覆到穿通孔的内侧上的膏的量时，例如在接收器中的工艺压力对于在过孔中构成空腔是决定性的。为了完全地填充过孔需要在低于1mbar，优选低于10^-2mbar，特别优选低于10^-4mbar的范围内的尽可能低的压力。相反地为了通过不完全用膏填充的穿通留空部实现空腔，除了工艺压力以外，需要根据方法的接合法的膏组成部分在熔化区域中的小于60min，优选小于30min并且特别优选小于10min的尽可能小的停留时间，以便防止熔化的膏组成部分扩散到金属化部中。在焊料(活性焊料或CuO)在熔融状态中的停留时间较长时，尤其在停留时间大于10min时，随着时间增加，降低熔点的添加物扩散到金属化部中从而减小形成过孔的金属体积。通过覆层厚度有利地设定过孔的电阻。尤其可考虑的是，覆层厚度和通过穿通留空部的内侧确定的直径的比值具有在0.05和0.5之间，优选在0.1和0.45之间并且特别优选在0.15和0.35之间的值。

在本发明的另一实施方式中提出，使用具有添加材料，尤其具有降低熔化温度的添加材料的膏。由此能有利地确保，膏在接合法中出现的温度下熔化并且接着硬化以构成过孔。优选地，在活性焊接法中使用的活性焊料基于由银和铜构成的低共熔混合物，其熔化温度基本上处于780℃并且具有由72重量％(Ag)至28重量％(Cu)构成的组分。优选地，为活性焊料添加活性金属，如例如Ti、Zr和/或Hf。

优选地提出，添加材料包括铟、锡和/或镓，优选以0.1重量％至20重量％的浓度，优选以0.25重量％至15重量％的浓度并且特别优选以0.5重量％至10重量％的浓度。通过设定所述浓度能有利地影响活性焊料的流动特性。在此，关于在构成过孔时或在填充穿通留空部时的流动性能，尤其在0.5重量％和10重量％之间的浓度区间证实为有利的。优选地，添加材料的浓度匹配于穿通孔的期望的填充度。

在本发明的另一实施方式中提出，将膏借助于印刷法，尤其3D印刷法，和/或丝网印刷法和/或刮板印刷法涂覆。可考虑的是，在填充时，尤其在借助于丝网印刷法填充时，设有封闭层，其中封闭层将穿通留空部朝向一侧限界，并且防止膏在填充时溢出。优选地，穿通留空部由多孔材料或非多孔材料制成。多孔材料的使用允许应用真空，借助所述真空可将膏抽入到穿通留空部中。也可考虑，将封闭层与载体上侧和/或载体下侧间隔开地构成，以便简化在过孔和金属化部之间的连接。

根据本发明的另一实施方式提出，穿通留空部具有在0.01mm和5mm之间，优选在0.03mm和2.5mm之间并且特别优选在0.05mm和2mm之间的直径。尤其对于具有在0.05mm和2.5mm之间的直径的穿通留空部而言，对载体层提出的在电阻或电导率和温度变化抗性方面的要求得以保证。

尤其提出，穿通留空部部分地，尤其仅局部地用膏填充，其中穿通留空部在时间上在接合法之前优选在20％和90％之间，优选在40％和80％之间并且特别优选在60％和75％之间填充。令人惊讶地已经证实，穿通孔的局部填充足以工艺可靠地实现通过制成的过孔的导电连接。优选地，穿通留空部在此借助丝网印刷法和/或3D打印法仅局部地填充。在局部填充时，在此优选要注意的是，穿通留空部的内侧被覆盖。由此可以保证，可以在接合法之后通过膏提供导电连接。例如，有针对性地覆盖或涂抹内侧或者将轻微液化的膏在接合法期间引导到内侧上。例如载体层可能倾向于此。此外可考虑的是，穿通留空部首先完全被填充并且接着在接合法之前将膏的一部分又从穿通留空部中再次取出。

在本发明的另一实施方式中提出，穿通留空部在接合法之后部分地用导电材料填充，其中将穿通留空部在时间上在接合法之前在优选20％和80％之间，优选在40％和75％之间并且特别优选在60％和70％之间填充。例如，导电材料是金属，尤其铜。尤其提出，在接合工艺期间的填充度降低。换言之：在接合工艺期间引入穿通留空部的膏的一部分挥发。也可考虑，将膏或膏的组分和/或接合工艺设计为，使得有针对性地考虑填充度的特定的降低从而限制过孔的电导率。

优选地提出，穿通留空部锥形地成形。通过锥形成形能够促进膏从载体层流入到穿通留空部中从而例如能够经由穿通留空部的倾斜度来可控地设定在接合法期间的填充。

在本发明的另一实施方式中提出，将膏

-设置在载体层上和/或配置为，使得在穿通留空部的边缘上设置的膏在接合法期间从载体层流入到穿通留空部中，和/或

-借助于丝网印刷法设置在穿通留空部中。例如可考虑，穿通留空部的尺寸设计为，使得通过在接合法期间的粘附效应，膏到达或拉入到穿通留空部中。载体层的运动也可以促进或推动膏的流入。

优选地提出，膏中的导电材料占全部膏的份额具有在0.2和0.8之间，优选在0.35和0.75之间并且优选在0.4和0.6之间的值。由此能有利地有针对性地影响穿通孔的电导率和填充度。

本发明的另一主题是具有过孔的载体层，其尤其借助根据上述权利要求中任一项所述的方法制造，所述载体层包括：

-包括陶瓷的载体层；和

-引入到载体层中的穿通孔，

其中穿通孔至少部分地用金属填充，使得能够有助于导电，优选在20％和100％之间，优选在40％和100％之间并且特别优选在60％和100％之间填充。所有针对根据本发明的方法所描述的特征及其优点能符合意义地同样转用于根据本发明的载体层并且反之亦然。

附图说明

从参照附图在下文中对根据本发明的主题的优选的实施方式的描述中得出其他优点和特征。各个实施方式的各个特征在此可以在本发明的范围内彼此组合。

附图示出：

图1a至1d：根据本发明的一个示例性的实施方式的用于在由陶瓷制成的载体层中制造过孔的方法；

图2：根据本发明的一个示例性的实施方式的具有过孔的载体层的俯视图。

具体实施方式

在图1a至1d中示出根据本发明的一个示例性的实施方式的用于在由陶瓷制成的载体层1中制造过孔3’的方法。在此优选涉及对于专用应用有利的含陶瓷的载体层1，所述载体层设为用于电器件或电子器件的载体。为了将各个电器件或电子器件导电连接，在此尤其设有用于在载体上侧11上构成印制导线的金属化部。为了减少寄生感应效应并且为了优化利用载体层1有利地提出，除了在载体上侧11上的金属化部之外，也在与载体上侧11相对置的载体下侧12上设置金属化部。为了将在载体上侧11上的一个或多个金属化部5与在载体下侧12上的金属化部连接，优选地设有过孔3’。为了构成过孔3’，优选首先将穿通留空部2，尤其穿通孔引入到包括陶瓷的载体层1中，如这在图1b中所示出。在此，穿通留空部具有直径D2。接着在穿通留空部2中引入膏3(参见图1)。在此，膏3优选是活性焊料材料和/或包括铜的膏。优选地提出，膏3至少部分地，优选完全地覆盖穿通留空部2的内侧9。

还提出，利用活性焊料4借助于活性焊接法(Aktivlotverfahren)将金属化部施加在载体上侧11和载体下侧12上。在此提出，在借助于活性焊接法的接合工艺的范围内，由膏3在穿通留空部2中形成过孔3’。由此能有利地在一个方法步骤中将过孔3’与金属化部的接合工艺或金属化部5一起实现。优选地提出，过孔3’由贴靠在穿通孔的内侧9上的具有覆层厚度D1的覆层形成。尤其，在制成的状态中在穿通留空部2中设置有贴靠在内侧9上的覆层和不具有覆层的芯区域7。优选地借助于贴靠的覆层和不具有覆层的芯区域7的体积比能够有针对性地设定过孔3’的电导率。还优选地提出，金属化部5在没有覆层的芯区域7之上延伸，尤其完全地覆盖不具有覆层的芯区域。

在图2中示出载体层1的俯视图或贯穿根据本发明的一个示例性的实施方式的具有过孔3’的载体层1的剖面。在俯视图中可见设置在穿通留空部2的内侧9上的覆层，所述覆层包覆或包围没有覆层的芯区域7。优选地，没有覆层的芯区域7具有半径，其中没有覆层的芯区域7的半径与穿通留空部2的内半径的比值具有在0.2和0.9之间，优选在0.4和0.8之间并且特别优选在0.5和0.7之间的值。

附图标记列表：

1 载体层

2 穿通留空部

3 膏

3’ 过孔

4 活性焊料

5 金属化部

7 芯区域

9 内侧

11 载体上侧

12 载体下侧

D1 覆层厚度

D2 直径