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DE102020107311B4 - Process for the fine structuring of metal-containing layers and ceramic multi-layer component - Google Patents

Process for the fine structuring of metal-containing layers and ceramic multi-layer component Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Feinstrukturierung von grobstrukturierten, pastösen, metallhaltigen Schichten (3), umfassend die folgenden Schritte:- Aufbringen einer metallhaltigen Schicht (3) , die eine Grobstruktur aufweist und ein pastöses Material umfasst, dessen Hauptkomponenten ein oder mehrere Metalle und ein organisches Lösemittel sind, auf eine Oberfläche einer Keramikschicht (2), die eine Grünfolie umfasst,- Scannen der Lage und Fläche der metallhaltigen Schicht (3) und Generieren eines Datensatzes aus den erfassten Daten,- Auswerten des Datensatzes durch Vergleich mit vorgegebenen Werten,- Ermitteln kritischer Abschnitte der metallhaltigen Schicht (3), die von den vorgegebenen Werten abweichen,- Zersetzen der kritischen Abschnitte per Laserbestrahlung in ein metallhaltiges Pulver, wobei die grobstrukturierte metallhaltige Schicht (3) in eine gewünschte feinstrukturierte Schicht (3) überführt wird,- Sintern der Keramikschicht (2) und der darauf aufgebrachten metallhaltigen Schicht (3) nach erfolgter Feinstrukturierung.Method for the fine structuring of coarsely structured, pasty, metal-containing layers (3), comprising the following steps: - applying a metal-containing layer (3) which has a coarse structure and comprises a pasty material whose main components are one or more metals and an organic solvent, onto a surface of a ceramic layer (2), which comprises a green film, - scanning the position and area of the metal-containing layer (3) and generating a data set from the recorded data, - evaluating the data set by comparing it with specified values, - determining critical sections of the metal-containing layer (3) that deviate from the specified values, - decomposition of the critical sections by laser irradiation into a metal-containing powder, the coarsely structured metal-containing layer (3) being converted into a desired finely structured layer (3), - sintering of the ceramic layer (2 ) and the metal-containing layer (3) applied thereto according to it subsequent fine structuring.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinstrukturierung von grobstrukturierten, pastösen metallhaltigen Schichten. Die Erfindung betrifft weiterhin ein keramisches Vielschichtbauteil, welches feinstrukturierte metallhaltige Schichten umfasst.The present invention relates to a method for the fine structuring of coarsely structured, pasty metal-containing layers. The invention further relates to a ceramic multilayer component which comprises finely structured metal-containing layers.

Eine Vielzahl elektronischer Bauteile umfasst Keramikschichten mit darauf aufgebrachten und strukturierten metallhaltigen Schichten. Die metallhaltigen Schichten werden so strukturiert, dass sich Abschnitte integrierter elektronischer Elemente ergeben. Die Keramik- und metallhaltigen Schichten können zu Vielschichtbauteilen gestapelt werden. Hierbei ist auf eine passgenaue Stapelung zu achten, so dass zusammengehörige Abschnitte integrierter elektronischer Elemente übereinander liegen. Diese können dann durch Vias in den Keramikschichten verbunden werden.A large number of electronic components include ceramic layers with metal-containing layers applied and structured thereon. The metal-containing layers are structured in such a way that sections of integrated electronic elements result. The ceramic and metal-containing layers can be stacked to form multi-layer components. Care must be taken to ensure that the stacking is accurate, so that sections of integrated electronic elements that belong together lie on top of one another. These can then be connected by vias in the ceramic layers.

Daneben können die elektronischen Bauteile weitere technische Anordnungen wie beispielsweise Antennen umfassen, die von den metallhaltigen Schichten isoliert sind. Um kapazitive und/oder induktive Wechselwirkungen zwischen stromführenden metallhaltigen Schichten und weiteren technischen Anordnungen zu vermeiden, darf der Abstand zwischen diesen einen geforderten Mindestabstand nicht unterschreiten.In addition, the electronic components can include other technical arrangements such as antennas, for example, which are insulated from the metal-containing layers. In order to avoid capacitive and/or inductive interactions between current-carrying layers containing metal and other technical arrangements, the distance between them must not fall below a required minimum distance.

Weiterhin sollte beispielsweise der Abstand einer Antenne zur strukturierten metallhaltigen Schicht nicht variieren, um Störsignale und eine Beeinflussung der Impedanz in der Antenne zu vermeiden. Dies gilt innerhalb einer metallhaltigen Schicht, aber insbesondere auch, wenn sich die Antenne über mehrere metallhaltige Schichten erstreckt.Furthermore, for example, the distance between an antenna and the structured metal-containing layer should not vary in order to avoid interference signals and an influence on the impedance in the antenna. This applies within a metal-containing layer, but also in particular if the antenna extends over several metal-containing layers.

Um die erforderliche Genauigkeit bei der Strukturierung der aufgebrachten metallhaltigen Schichten einzuhalten, ist die Abmessung solcher Schichten und die Stapelhöhe eines elektronischen Bauteils und die Größe der integrierten elektronischen Elemente im Falle bisher üblicher Fertigungsverfahren beschränkt.In order to maintain the required accuracy in the structuring of the metal-containing layers applied, the dimensions of such layers and the stack height of an electronic component and the size of the integrated electronic elements are limited in the case of manufacturing processes that have been customary up to now.

Ein industrieller Prozess zum Aufbringen einer metallhaltigen Schicht auf eine Keramikschicht ist das Siebdruckverfahren.An industrial process for applying a metal-containing layer to a ceramic layer is the screen printing process.

Mit einem solchen Verfahren lassen sich Abschnitte integrierter elektronischer Elemente mit einer Breite von weniger als 50 µm nicht in Serie herstellen. Die Anzahl der möglichen elektronischen Elemente auf einer Keramikschicht einer bestimmten Abmessung ist somit begrenzt.With such a method, sections of integrated electronic elements with a width of less than 50 μm cannot be mass-produced. The number of possible electronic elements on a ceramic layer of a certain size is therefore limited.

Andererseits können die Abschnitte der integrierten elektronischen Elemente nur mit einer begrenzten Genauigkeit auf eine Keramikschicht aufgebracht werden. Positionsungenauigkeiten von bis zu +/-30 µm können in der seriellen Produktion bisher nicht vermieden werden. Dies kann einerseits zu Lagenversatz innerhalb solcher integrierter elektronischer Elemente führen, die sich über mehrere gestapelte metallhaltige und Keramikschichten erstrecken. Dies kann unerwünschte elektrische Verluste mit sich bringen. Andererseits kann dies zu unterschiedlichen Abständen zwischen den integrierten elektronischen Elementen und weiteren technischen Anordnungen wie Antennen führen, was unerwünschte elektrische Verluste und Störsignale nach sich zieht.On the other hand, the sections of the integrated electronic elements can only be applied to a ceramic layer with a limited accuracy. Position inaccuracies of up to +/-30 µm cannot be avoided in serial production up to now. On the one hand, this can lead to layer misalignment within such integrated electronic elements that extend over several stacked metal-containing and ceramic layers. This can result in unwanted electrical losses. On the other hand, this can lead to different distances between the integrated electronic elements and other technical arrangements such as antennas, which results in unwanted electrical losses and interference signals.

Aufgrund dieser begrenzten Genauigkeit können mit den üblichen Verfahren nur metallhaltige Schichten bis zu einer bestimmten maximalen Abmessung gefertigt werden. Wird diese maximale Abmessung überschritten, wird der Einfluss von Positionsungenauigkeiten der integrierten elektrischen Elemente zu groß.Due to this limited accuracy, metal-containing layers can only be produced up to a certain maximum dimension with the usual methods. If this maximum dimension is exceeded, the influence of positional inaccuracies of the integrated electrical elements becomes too great.

Ein beispielhaftes Fertigungsverfahren wird in der Druckschrift DE 690 08 459 T2 beschrieben. Weiterhin beschreibt die Druckschrift JP H09- 307 217 A ein Verfahren zur Korrektur der Position von Elementen in gedruckten Mustern.An exemplary manufacturing process is described in the publication DE 690 08 459 T2 described. Furthermore, the document JP H09-307 217 A describes a method for correcting the position of elements in printed patterns.

Die oben genannten Punkte stehen den zunehmend höheren Leistungsanforderungen an solche elektronischen Bauteile entgegen. Bisherige Lösungsansätze konzentrieren sich auf die Verwendung neuer Materialien und Druckprozesse. Dies ist jedoch mit Nachteilen bei der Verarbeitung wie beispielsweise einer begrenzten Anzahl an Lagen bei der Stapelung verbunden. Weiterhin können diese Bauteile die Funktion der keramischen Vielschichtbauteile nicht äquivalent ersetzen.The points mentioned above stand in the way of the increasingly higher performance requirements for such electronic components. Previous solutions focus on the use of new materials and printing processes. However, this is associated with disadvantages in processing, such as a limited number of layers when stacking. Furthermore, these components cannot equivalently replace the function of the ceramic multi-layer components.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Weg zu finden, die Strukturierung von metallhaltigen Schichten insbesondere bezüglich Strukturgenauigkeit weiter zu verbessern.It is therefore an object of the present invention to find a way of further improving the structuring of metal-containing layers, in particular with regard to structural accuracy.

Diese Aufgabe wird zumindest teilweise durch das in Anspruch 1 offenbarte Verfahren gelöst.This object is at least partially solved by the method disclosed in claim 1.

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Feinstrukturierung von grobstrukturierten, pastösen metallhaltigen Schichten. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • - Aufbringen einer metallhaltigen Schicht, die eine Grobstruktur aufweist und ein pastöses Material umfasst, auf eine Oberfläche einer Keramikschicht, die eine Grünfolie umfasst. Die Hauptkomponenten des pastösen Materials sind ein oder mehrere Metalle und ein organisches Lösemittel.
The present invention discloses a method for the fine structuring of coarsely structured, pasty metal-containing layers. The procedure includes the following steps:
  • - Application of a metal-containing layer which has a coarse structure and includes a pasty material on a surface of a ceramic layer which includes a green sheet. The main components of the pasty material are one or more metals and an organic solvent.

Die grobstrukturierte und pastöse metallhaltige Schicht kann bereits eine definierte Struktur aufweisen. Die metallhaltige Schicht kann eine zusammenhängende Fläche auf der Oberfläche bilden oder mehrere flächige Abschnitte, die innerhalb derselben Ebene liegen und dieselbe Höhe aufweisen, aber miteinander nicht in Verbindung stehen, umfassen. Die einzelnen flächigen Abschnitte weisen in einer Ausführungsform eine Länge und eine Breite von jeweils mindestens 50 µm auf.The roughly structured and pasty metal-containing layer can already have a defined structure. The metal-containing layer may form a continuous area on the surface or comprise several planar sections which lie within the same plane and have the same height but are not connected to one another. In one embodiment, the individual flat sections each have a length and a width of at least 50 μm.

Die metallhaltige Schicht umfasst ein pastöses Material, das als Hauptkomponente ein oder mehrere Metalle und ein organisches Lösemittel enthält. Daneben kann die metallhaltige Schicht ein Kunststoffpulver enthalten.The metal-containing layer comprises a pasty material containing one or more metals and an organic solvent as the main components. In addition, the metal-containing layer can contain a plastic powder.

Die Metalle liegen pulverförmig in Form von Metallkörnern, die chemisch oder physikalisch verbunden sein können, vor.The metals are in powder form in the form of metal grains that can be chemically or physically bonded.

Mögliche Metalle sind beispielsweise Kupfer oder Silber. Für Anwendungen bei hohen Temperaturen kann alternativ beispielsweise Osram verwendet werden. Der Anteil der Metallkörner in der pastösen metallhaltigen Schicht kann mehr als 70 % des Volumens der Schicht betragen. In einer Ausführungsform kann der Anteil der Metallkörner mehr als 83 % des Volumens betragen.Possible metals are, for example, copper or silver. For applications at high temperatures, Osram, for example, can be used as an alternative. The proportion of metal grains in the pasty metal-containing layer can be more than 70% of the volume of the layer. In one embodiment, the proportion of metal grains can be more than 83% by volume.

Neben dem metallhaltigen, pulverförmigen Feststoff enthält die metallhaltige Schicht ein organisches Lösemittel, welches der metallhaltigen Schicht die pastöse Eigenschaft verleiht. Daneben kann die metallhaltige Schicht ein Kunststoffpulver enthalten. Der Anteil des organischen Lösemittels und des Kunststoffpulvers in der pastösen metallhaltigen Schicht kann zusammengenommen 10 % bis 30 % des Volumens der Schicht betragen.In addition to the metal-containing, powdery solid, the metal-containing layer contains an organic solvent, which gives the metal-containing layer its pasty property. In addition, the metal-containing layer can contain a plastic powder. The proportion of the organic solvent and the plastic powder in the pasty metal-containing layer can total 10% to 30% of the volume of the layer.

Das organische Lösemittel kann chemische oder physikalische Bindungen zu den Metallkörnern bilden. Mit Art und Viskosität des Lösemittels lässt sich die Verarbeitbarkeit einer aufzubringenden bzw. bereits aufgebrachten Paste einstellen.

  • - Scannen der Lage und Fläche der metallhaltigen Schicht und Generieren eines Datensatzes aus den erfassten Daten.
The organic solvent can form chemical or physical bonds to the metal grains. The processability of a paste that is to be applied or has already been applied can be adjusted with the type and viscosity of the solvent.
  • - Scanning the position and area of the metal-bearing layer and generating a data set from the acquired data.

Die Lage und Fläche aller Abschnitte der metallhaltigen Schicht kann durch einen dafür geeigneten Scanner optisch erfasst werden und in einem Datensatz gespeichert werden. Hierfür kann beispielsweise ein Scanner eingesetzt werden, der die gesamte mit pastösem, metallhaltigem Material bedeckte Oberfläche optisch abtastet.

  • - Auswerten des Datensatzes durch Vergleich mit vorgegebenen Werten.
The position and area of all sections of the metal-containing layer can be optically recorded using a suitable scanner and stored in a data set. A scanner can be used for this purpose, for example, which optically scans the entire surface covered with pasty, metal-containing material.
  • - Evaluation of the data set by comparison with specified values.

Aus dem durch Scannen erhaltenen Datensatz kann die Position und Fläche eines jeden Abschnitts der metallhaltigen Schicht ermittelt und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden. Hinsichtlich der Position kann hierfür beispielsweise ein lokales oder ein globales Koordinatensystem definiert werden. Ein globales Koordinatensystem weist jedem Punkt auf der Oberfläche eine Koordinate zu. Ein lokales Koordinatensystem beschreibt eine Position in Bezug zu einem ausgewählten Fixpunkt innerhalb der Oberfläche wie zum Beispiel einer fixierten technischen Anordnung. Eine solche Anordnung kann beispielsweise eine Antenne sein.

  • - Ermitteln kritischer Abschnitte der metallhaltigen Schicht, die von den vorgegebenen Werten abweichen.
The position and area of each section of the metal-containing layer can be determined from the data set obtained by scanning and compared with specified target values. With regard to the position, for example, a local or a global coordinate system can be defined for this. A global coordinate system assigns a coordinate to every point on the surface. A local coordinate system describes a position in relation to a selected fixed point within the surface, such as a fixed engineering structure. Such an arrangement can be an antenna, for example.
  • - Determination of critical sections of the metal-containing layer that deviate from the specified values.

Stimmen Position und Fläche eines Abschnitts der metallhaltigen Schichten nicht mit den vorgegebenen Sollwerten überein, wird dieser als kritisch bezeichnet. Im vorliegenden Verfahren werden nur solche kritischen Abschnitte berücksichtigt, die in Form und Fläche die vorgegebenen Abmessungen überschreiten.If the position and area of a section of the metal-containing layers do not match the specified target values, this section is designated as critical. Only those critical sections that exceed the given dimensions in terms of shape and area are taken into account in the present procedure.

Ist die Abmessung einer Fläche zu gering, kann dies mit dem vorliegenden Verfahren nicht korrigiert werden. Um zu geringe Abmessungen zu vermeiden, kann beim Auftragen der metallhaltigen Schicht bevorzugt mit Abmessungen, die die Sollwerte leicht überschreiten gearbeitet werden. Die genaue Abmessung kann dann im Laufe des Verfahrens angepasst werden.If the dimensions of an area are too small, this cannot be corrected with the present method. In order to avoid dimensions that are too small, it is possible when applying the metal-containing layer to work with dimensions that slightly exceed the target values. The exact dimension can then be adjusted during the course of the procedure.

Wird die Position und/oder Fläche eines Abschnitts durch Vergleich mit den Sollwerten als kritisch eingestuft, wird dieser Abschnitt als kritisch erfasst und dessen Position und Fläche in einem kritischen Datensatz gespeichert.

  • - Zersetzen der kritischen Abschnitte per Laserbestrahlung in ein metallhaltiges Pulver, wobei die grobstrukturierte metallhaltige Schicht in eine gewünschte feinstrukturierte Schicht überführt wird und Sintern der Keramikschicht und der darauf aufgebrachten metallhaltigen Schicht nach erfolgter Feinstrukturierung.
If the position and/or area of a section is classified as critical by comparison with the target values, this section is recorded as critical and its position and area are saved in a critical data record.
  • - Decomposition of the critical sections by laser irradiation into a metal-containing powder, the coarsely structured metal-containing layer being converted into a desired finely structured layer and sintering of the ceramic layer and the metal-containing layer applied thereto after fine structuring has taken place.

Die Fläche und Position der kritischen Abschnitte der metallhaltigen Schicht sind im kritischen Datensatz gespeichert. Ein Laser wird entsprechend dieses kritischen Datensatzes ausgerichtet und so über die metallhaltige Schicht bewegt, dass er auf einen der kritischen Abschnitte gerichtet ist und diesen bestrahlt. Durch die Bestrahlung mit Laser wird die pastöse metallhaltige Schicht innerhalb des kritischen Abschnitts in ein metallhaltiges Pulver zersetzt. Grund hierfür ist das Aufwärmen der metallhaltigen Schicht bei andauernder Bestrahlung. Dies führt zur Verflüchtigung des organischen Lösemittels und zum Aufbrechen der Bindungen zwischen den einzelnen Körnern der pastösen metallhaltigen Schicht.The area and position of the critical sections of the metalliferous layer are stored in the critical data set. A laser is aligned according to this critical data set and moved across the metal-containing layer so that it is aimed at and irradiates one of the critical sections. The pasty metal-containing layer within the critical section is transformed into a metal-containing layer by the laser irradiation powder decomposed. The reason for this is the heating of the metal-containing layer during prolonged irradiation. This leads to the volatilization of the organic solvent and the breaking of the bonds between the individual grains of the pasty metal-containing layer.

Die pastöse Eigenschaft der metallhaltigen Schicht nimmt somit ab und die metallhaltige Schicht zersetzt sich zu einem metallhaltigen Pulver. Im metallhaltigen Pulver bilden die einzelnen Metallkörner und Nicht-Metallkörner wie beispielsweise Kunststoffkörner kaum Bindungen untereinander aus. Ist die metallhaltige Schicht eines kritischen Abschnitts zersetzt, kann der Laser weiterbewegt und der nächste kritische Abschnitt bestrahlt werden.The pasty property of the metal-containing layer thus decreases and the metal-containing layer decomposes into a metal-containing powder. In the metal-containing powder, the individual metal grains and non-metal grains such as plastic grains hardly form any bonds with one another. If the metal-containing layer of a critical section has decomposed, the laser can be moved on and the next critical section can be irradiated.

Zur Beschleunigung des Verfahrens können in einer Ausführungsform mehrere Laser zeitgleich eingesetzt werden. In one embodiment, a plurality of lasers can be used simultaneously to speed up the method.

Das Verfahren ermöglicht die Anpassung von Form und Fläche der Abschnitte der metallhaltigen Schicht an vorgegebene Sollwerte.The method enables the shape and area of the sections of the metal-containing layer to be adapted to specified target values.

So können die Abmessungen der einzelnen Abschnitte der metallhaltigen Schicht verringert werden und die Schicht in eine feinstrukturierte metallhaltige Schicht überführt werden. In einer Ausführungsform kann die Abmessung eines einzelnen Abschnitts der metallhaltigen Schicht auf weniger als 30 µm verringert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Abmessung eines einzelnen Abschnitts auf weniger als 20 µm verringert werden. Somit ermöglicht das offenbarte Verfahren ein erhöhtes Maß an Feinstrukturierung der metallhaltigen Schicht.In this way, the dimensions of the individual sections of the metal-containing layer can be reduced and the layer can be converted into a finely structured metal-containing layer. In one embodiment, the dimension of a single section of the metal-containing layer can be reduced to less than 30 μm. In a preferred embodiment, the dimension of a single section can be reduced to less than 20 µm. The disclosed method thus enables an increased degree of fine structuring of the metal-containing layer.

Weiterhin können mittels dieses Verfahrens Positionsungenauigkeiten der Abschnitte der metallhaltigen Schicht korrigiert werden. Ist der Abstand zwischen zwei stromführenden Abschnitten der metallhaltigen Schicht zu gering, kann es zu kapazitiven und/oder induktiven Wechselwirkungen kommen, die beide von der Entfernung der Abschnitte abhängig sind. Darüber hinaus kann die Funktionssicherheit durch mögliche elektrische Überschläge oder Kurzschlüsse gefährdet sein.Furthermore, positional inaccuracies of the sections of the metal-containing layer can be corrected by means of this method. If the distance between two current-carrying sections of the metal-containing layer is too small, capacitive and/or inductive interactions can occur, both of which are dependent on the distance between the sections. In addition, functional safety can be jeopardized by possible electrical flashovers or short circuits.

Dasselbe gilt für einen geringen Abstand eines stromführenden Abschnitts der metallhaltigen Schicht zu einer technischen Anordnung wie beispielsweise einer Antenne. Bei zu geringem Abstand können Störsignale in der Antenne auftreten.The same applies to a small distance between a current-carrying section of the metal-containing layer and a technical arrangement such as an antenna. If the distance is too small, interference signals can occur in the antenna.

Beispielsweise ist es wünschenswert das der Abstand zwischen einer integrierten Antenne und der metallhaltigen Schicht in jeder Richtung gleich groß und größer als ein definierter Mindestabstand ist.For example, it is desirable that the distance between an integrated antenna and the metal-containing layer is the same size in each direction and is greater than a defined minimum distance.

Durch Zersetzen eines kritischen Abschnitts kann der jeweilige Abstand zwischen den einzelnen Abschnitten einer metallhaltigen Schicht bzw. der Abstand zu weiteren technischen Anordnungen vergrößert werden.By decomposing a critical section, the respective distance between the individual sections of a metal-containing layer or the distance to other technical arrangements can be increased.

Somit ermöglicht das offenbarte Verfahren ein erhöhtes Maß an Genauigkeit bei der Feinstrukturierung der metallhaltigen Schicht.The disclosed method thus enables an increased degree of accuracy in the fine structuring of the metal-containing layer.

Wie beschrieben ist die metallhaltige Schicht auf der Oberfläche einer Keramikschicht aufgebracht.As described, the metal-containing layer is applied to the surface of a ceramic layer.

Die Keramikschicht kann eine Keramik umfassen, deren Hauptbestandteil beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid sein kann. Die Keramikschicht kann quaderförmig ausgeführt sein und eine definierte Höhe sowie eine definierte Grundfläche aufweisen. Die Grundfläche kann eine quadratische Form einer bestimmten Abmessung haben. Eine übliche Abmessung für eine Seitenlänge der Grundfläche der Keramikschicht kann mehr als 5 cm und weniger als 30 cm betragen. Bevorzugt kann eine Abmessung für eine Seitenlänge mehr als 10 cm und weniger als 25 cm betragen. Noch bevorzugte beträgt die Abmessung für eine Seitenlänge ca. 10 cm.The ceramic layer can comprise a ceramic whose main component can be aluminum oxide or zirconium oxide, for example. The ceramic layer can be cuboid and have a defined height and a defined base area. The base can have a square shape of a certain dimension. A typical dimension for a side length of the base of the ceramic layer can be more than 5 cm and less than 30 cm. A dimension for a side length can preferably be more than 10 cm and less than 25 cm. Even more preferably, the dimension for a side length is about 10 cm.

Die Höhe der Keramikschicht im gesinterten Zustand kann in einer Ausführungsform zwischen 10 µm und 1 mm betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Höhe der Keramikschicht zwischen 20 µm und 200 µm betragen. Im nichtgesinterten Zustand beträgt die Höhe der Keramikschicht in etwa das Doppelte.In one embodiment, the height of the ceramic layer in the sintered state can be between 10 μm and 1 mm. In a preferred embodiment, the height of the ceramic layer can be between 20 μm and 200 μm. In the non-sintered state, the height of the ceramic layer is approximately twice that.

Wird ein Abschnitt der Keramikoberfläche während des Verfahrens mit einem Laser bestrahlt, verändert sich die Struktur der Keramik, anders als die der metallhaltigen Schicht, nicht. Grund hierfür kann beispielsweise eine hohe Strahlungsdurchlässigkeit, wie sie beispielsweise Glaskeramiken aufweisen, oder eine gute Wärmeleitfähigkeit der Keramikschicht sein.If a section of the ceramic surface is irradiated with a laser during the process, the structure of the ceramic, unlike that of the metal-containing layer, does not change. The reason for this can be, for example, a high degree of radiation permeability, such as is exhibited by glass ceramics, or good thermal conductivity of the ceramic layer.

In einer Ausführungsform kann die metallhaltige Schicht auf die Oberfläche aufgedruckt sein.In one embodiment, the metal-containing layer can be printed onto the surface.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die metallhaltige Schicht per Siebdruck auf die Oberfläche der Keramikschicht gedruckt.In a preferred embodiment, the metal-containing layer is screen printed onto the surface of the ceramic layer.

Beim Siebdruck wird ein Metall- oder Kunststoffsieb als Schablone verwendet, indem ausgewählte Maschen des Siebs mit Folie oder Lack abgedichtet werden. Anschließend wird Druckfarbe durch die offenen Maschen des Siebs auf eine zuvor gleichmäßig auf die Keramikschicht aufgetragene metallhaltige Schicht gedruckt. Die Druckfarbe schützt die bedruckten Abschnitte im nachfolgenden Ätzprozess, so dass die bedruckten Abschnitte der metallhaltigen Schicht nach dem Ätzen erhalten bleiben. Somit können parallel eine Vielzahl von verschiedenen metallhaltigen Strukturen auf der Oberfläche der Keramikschicht erzeugt werden.In screen printing, a metal or plastic screen is used as a stencil, and selected meshes of the screen are sealed with foil or paint. Ink is then printed through the open mesh of the screen onto a metal-containing layer that has previously been evenly applied to the ceramic layer. The ink protects the printed sections in the subsequent etching process, so that the printed sections of the metal-containing layer remain intact after etching. A large number of different metal-containing structures can thus be produced in parallel on the surface of the ceramic layer.

Die Keramikschicht umfasst eine Grünfolie. Das bedeutet, dass die Keramikschicht in ungesintertem Zustand vorliegt.The ceramic layer includes a green sheet. This means that the ceramic layer is in an unsintered state.

Dies ist insoweit sinnvoll, da nach dem Aufbringen der pastösen, metallhaltigen Schicht ein Sinterschritt zur Härtung der metallhaltigen Schicht durchgeführt werden kann. Somit können Keramikschicht und metallhaltige Schicht in einem Schritt gesintert werden.This makes sense insofar as after the application of the pasty, metal-containing layer, a sintering step can be carried out to harden the metal-containing layer. In this way, the ceramic layer and the metal-containing layer can be sintered in one step.

Die Keramikschicht umfassend die darauf aufgebrachte metallhaltige Schicht wird nach erfolgter Feinstrukturierung gesintert. Während des Sinterns werden die Keramik und das Metall auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und gehalten, so dass sich eine gewünschte Struktur in der Keramik bzw. im Metall einstellt.The ceramic layer comprising the metal-containing layer applied thereto is sintered after fine structuring has taken place. During sintering, the ceramic and the metal are heated to a specific temperature and maintained so that a desired structure is created in the ceramic or in the metal.

Die Struktur des Materials beeinflusst Eigenschaften wie die Härte und die Beständigkeit des Materials. Während des Sintervorganges verflüchtigt sich das organische Lösemittel innerhalb der pastösen metallhaltigen Schicht. Die pastöse Eigenschaft der metallhaltigen Schicht nimmt somit ab und es bildet sich eine feste, gehärtete metallhaltige Schicht.The structure of the material influences properties such as hardness and durability of the material. During the sintering process, the organic solvent within the pasty metal-containing layer evaporates. The paste-like property of the metal-containing layer thus decreases and a solid, hardened metal-containing layer forms.

In einer Ausführungsform werden mehrere Keramikschichten mit jeweils aufgebrachten metallhaltigen Schichten nach erfolgter Feinstrukturierung und vor dem Sintern zu einem keramischen Vielschichtbauteil gestapelt. Durch den anschließenden Sintervorgang verfestigt sich das Bauteil und sintert zusammen.In one embodiment, a plurality of ceramic layers, each with metal-containing layers applied, are stacked to form a ceramic multi-layer component after fine structuring has taken place and before sintering. The component hardens and sinters together as a result of the subsequent sintering process.

In einer Ausführungsform umfasst die metallhaltige Schicht Abschnitte integrierter elektronischer Elemente. Die integrierten elektronischen Elemente sind elektronische Bauelemente, die von definierten Abschnitten einer oder mehrerer metallhaltiger Schichten gebildet werden.In one embodiment, the metal-containing layer comprises portions of integrated electronic elements. The integrated electronic elements are electronic components that are formed from defined sections of one or more metal-containing layers.

Ein einzelner Abschnitt der metallhaltigen Schicht kann ein integriertes elektronisches Element sein. Andererseits kann ein integriertes elektronisches Element mehrere Abschnitte der metallhaltigen Schicht oder mehrerer metallhaltige Schichten umfassen.A single portion of the metal-containing layer can be an integrated electronic element. On the other hand, an integrated electronic element may include multiple portions of the metal-containing layer or multiple metal-containing layers.

Abschnitte, die in verschiedenen metallhaltigen Schichten liegen, aber zusammen ein integriertes elektronisches Element bilden, können durch Vias, also elektrische Durchkontaktierungen, verbunden werden. Die Vias sind in den zwischen den metallhaltigen Schichten angeordneten Keramikschichten enthalten.Sections that are in different metal-containing layers, but together form an integrated electronic element, can be connected by vias, i.e. electrical through-connections. The vias are contained in the ceramic layers arranged between the metal-containing layers.

Ein integriertes elektronisches Element kann beispielsweise eine Leiterbahn, ein Widerstand, eine Spule, ein Kondensator oder eine elektronische Kopplung sein.An integrated electronic element can be, for example, a conductor track, a resistor, a coil, a capacitor or an electronic coupling.

Um integrierte elektronische Elemente, die Abschnitte mehrerer metallhaltige Schichten umfassen, zu erzeugen, werden mehrere Keramikschichten, mit darauf aufgebrachten metallhaltigen Schichten, gestapelt. Hierfür können die zusammengehörigen Abschnitte über zugehörige Vias in den Keramikschichten dazwischenliegenden Keramikschichten kontaktiert werden. Die zusammengehörigen Abschnitte in den verschiedenen metallhaltigen Schichten und die zugehörigen Vias in den Keramikschichten können übereinander liegen. Bevorzugt liegen Kontaktstellen der Abschnitte passgenau über zugehörigen Vias. So können ungewollte elektrische Verluste minimiert werden.To create integrated electronic devices that include portions of multiple metal-containing layers, multiple ceramic layers with metal-containing layers deposited thereon are stacked. For this purpose, the sections that belong together can be contacted via associated vias in the ceramic layers located between the ceramic layers. The sections that belong together in the various metal-containing layers and the associated vias in the ceramic layers can lie on top of one another. Contact points of the sections preferably lie precisely over associated vias. In this way, unwanted electrical losses can be minimized.

Das offenbarte Verfahren ermöglicht ein höheres Maß an Genauigkeit der Feinstrukturierung der metallhaltigen Schichten als Verfahren des Stands der Technik. Somit ermöglicht das Verfahren die Bildung von schichtübergreifenden integrierten elektronischen Elementen, zwischen deren einzelnen Abschnitten eine geschlossene Kontaktierung besteht, so dass unerwünschte elektrische Verluste minimiert sind.The disclosed method enables a higher degree of precision in the fine structuring of the metal-containing layers than prior art methods. The method thus enables the formation of cross-layer integrated electronic elements, between the individual sections of which there is a closed contact, so that undesirable electrical losses are minimized.

Die genaue Anordnung der einzelnen Abschnitte der integrierten elektronischen Elemente minimiert weiterhin den Versatz von zusammengehörigen Abschnitten derselben integrierten elektronischen Elemente in verschiedenen Schichten wie z.B. mehrerer Windungen einer Spule. Der geringe Lagenversatz ermöglicht das Stapeln einer hohen Anzahl an Schichten.The precise placement of the individual portions of the integrated electronic elements further minimizes the misalignment of mating portions of the same integrated electronic elements in different layers, such as multiple turns of a coil. The low layer offset enables a high number of layers to be stacked.

Um effizient mehrere Bauteile gleichzeitig herzustellen, können im Herstellungsprozess Keramikschichten entsprechend großer Abmessungen verwendet werden, auf die Abschnitte integrierter elektronischer Elemente mehrerer Bauteile aufgebracht werden können. Mehrere solcher Keramikschichten können anschließend gestapelt werden. Das entstandene Vielschichtsubstrat kann dann in einzelne Vielschichtbauteile kleinerer Abmessung vereinzelt werden. Die Vereinzelung kann z.B. mittels Sägen durchgeführt werden.In order to efficiently produce several components at the same time, ceramic layers of correspondingly large dimensions can be used in the production process, onto which sections of integrated electronic elements of several components can be applied. Several such ceramic layers can then be stacked. The resulting multilayer substrate can then be separated into individual multilayer components of smaller dimensions. The separation can be carried out e.g. by sawing.

Die Anzahl der möglichen Vielschichtbauteile, die ein Vielschichtsubstrat umfasst, hängt einerseits von der Feinstrukturierung der integrierten elektronischen Elemente ab. Diese kann durch das beschriebene Verfahren verbessert werden.The number of possible multilayer components that a multilayer substrate includes depends on the one hand on the fine structuring of the integrated electronic elements. This can be improved by the method described.

Andererseits hängt die Anzahl der Vielschichtbauteile von der Abmessung des Vielschichtsubstrats ab. Mit der Verwendung größerer Keramikschichten nehmen die Positionsungenauigkeiten der Abschnitte der integrierten elektronischen Elemente auf diesen zu. Das beschriebene Verfahren erlaubt ein Minimieren dieser Positionsungenauigkeiten und somit die Fertigung vergleichsweise größerer Keramikschichten.On the other hand, the number of multilayer components depends on the dimension of the multilayer substrate. With the use of larger ceramic layers, the positional inaccuracies of the integrated electronic element portions thereon increase. The method described allows these positional inaccuracies to be minimized and thus the production of comparatively larger ceramic layers.

In einer Ausführungsform erfolgen das Scannen der metallhaltigen Schicht und das Auswerten des beim Scannen erhaltenen Datensatzes automatisch durch ein automatisches optisches Inspektionssystem (AOI-System).In one embodiment, the metal-containing layer is scanned and the data set obtained during scanning is evaluated automatically by an automatic optical inspection system (AOI system).

Durch die Nutzung eines AOI-Systems können der Scanvorgang und der Auswertevorgang automatisiert und beschleunigt werden. Kritische Abschnitte der metallhaltigen Schicht können effektiver, schneller und genauer registriert werden. Dies ermöglicht auch einen genaueren und effektiveren Einsatz des Lasers zur Bestrahlung und Zersetzung der kritischen Abschnitte der metallhaltigen Schicht.By using an AOI system, the scanning process and the evaluation process can be automated and accelerated. Critical sections of the metal-containing layer can be registered more effectively, quickly and accurately. This also allows for a more accurate and effective use of the laser to irradiate and decompose the critical sections of the metal-containing layer.

In einer Ausführungsform wird das durch die Laserbestrahlung freigesetzte metallhaltige Pulver durch Absaugen von der Oberfläche der Keramikschicht entfernt. Das metallhaltige Pulver wird während der Zersetzung der metallhaltigen Schicht durch Laserbestrahlung gebildet. Das Pulver besteht aus einer lockeren Ansammlung einzelner Metallkörner, die untereinander kaum Bindungen eingehen. Weiterhin kann das Pulver Kunststoffkörner umfassen. Das Absaugen kann beispielsweise mithilfe einer Vakuumpumpe erfolgen.In one embodiment, the metal-containing powder released by the laser irradiation is removed from the surface of the ceramic layer by suction. The metal-containing powder is formed during decomposition of the metal-containing layer by laser irradiation. The powder consists of a loose accumulation of individual metal grains that hardly form any bonds with one another. Furthermore, the powder can include plastic grains. The suction can be done with the help of a vacuum pump, for example.

In einer Ausführungsform enthält die metallhaltige Schicht als Nebenkomponente ein nicht-metallhaltiges Material wie beispielsweise ein keramisches Material. Das nicht-metallhaltige Material liegt in Form von Körnern vor. Ein Korn kann sowohl metallhaltiges wie auch nicht-metallhaltiges Material enthalten. Beispiele für nicht-metallhaltige Materialien, können Keramiken oder Glaskeramiken und Kunststoffe sein.In one embodiment, the metal-containing layer contains a non-metal-containing material such as a ceramic material as a secondary component. The non-metallic material is in the form of granules. A grain can contain both metal-bearing and non-metal-bearing material. Examples of non-metallic materials can be ceramics or glass ceramics and plastics.

Wird die pastöse metallhaltige Schicht mit Laser bestrahlt, erhitzt sich das Metall. Der Temperaturanstieg führt zur Verflüchtigung des organischen Lösemittels und zum Aufbrechen der Bindungen zwischen den Körnern. Die pastöse Eigenschaft der metallhaltigen Schicht nimmt somit ab und die metallhaltige Schicht zersetzt sich zu einem metallhaltigen Pulver. Im metallhaltigen Pulver bilden die einzelnen metallhaltigen und nicht-metallhaltigen Körner kaum Bindungen untereinander aus.If the pasty metal-containing layer is irradiated with a laser, the metal heats up. The rise in temperature leads to the volatilization of the organic solvent and the breaking of the bonds between the grains. The pasty property of the metal-containing layer thus decreases and the metal-containing layer decomposes into a metal-containing powder. In the metal-containing powder, the individual metal-containing and non-metal-containing grains hardly form any bonds with one another.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein keramisches Vielschichtbauteil, welches nach dem beschriebenen Verfahren gefertigt ist. Das Vielschichtbauteil umfasst mehrere Keramikschichten und jeweils dazwischen angeordnete feinstrukturierte, metallhaltige Schichten. Die Keramikschichten umfassen Vias, die der elektrischen Durchkontaktierung dienen. Die metallhaltigen Schichten umfassen Abschnitte integrierter elektronischer Elemente wie Spulen, Kopplungen, Kondensatoren oder Leiterbahnen.The invention also includes a ceramic multi-layer component which is manufactured using the method described. The multilayer component comprises a plurality of ceramic layers and finely structured, metal-containing layers arranged between them. The ceramic layers include vias that are used for electrical through-contacting. The metal-containing layers include sections of integrated electronic elements such as coils, couplings, capacitors or conductor tracks.

Die Keramikschichten und die metallhaltigen Schichten sind so übereinander gestapelt, dass integrierte elektronische Elemente, die sich über mehrere Schichten erstrecken, gebildet werden. Kontaktflächen zusammengehöriger Abschnitte integrierter elektronischer Elemente in verschiedenen metallhaltigen Schichten sind dabei passgenau über ein zugehöriges Via elektrisch verbunden.The ceramic layers and metal-containing layers are stacked on top of each other to form integrated electronic devices that span multiple layers. Contact surfaces of sections of integrated electronic elements that belong together in different metal-containing layers are electrically connected with a precise fit via an associated via.

Handelt es sich bei einem integrierten elektronischen Element um eine Spule, kann beispielsweise jede metallhaltige Schicht eine halbe Windung der Spule umfassen. Zwei übereinanderliegende metallhaltige Schichten umfassen dann eine ganze Windung der Spule. Jeder Abschnitt der Spule weist an beiden Enden Kontaktflächen auf. Die Kontaktflächen können mit Hilfe des offenbarten Verfahrens passgenau auf die Vias aufgebracht werden. Die einzelnen Abschnitte der Spule, die in verschiedenen Ebenen und somit in verschiedenen metallhaltigen Schichten liegen, können somit durch Vias in den dazwischenliegenden Keramikschichten verbunden sein.For example, where an integrated electronic element is a coil, each metal-containing layer may comprise half a turn of the coil. Two metal-containing layers lying one on top of the other then cover an entire turn of the coil. Each section of the coil has contact pads on both ends. The contact areas can be applied to the vias with a precise fit using the disclosed method. The individual sections of the coil, which lie in different planes and thus in different metal-containing layers, can thus be connected by vias in the ceramic layers lying in between.

Der Mindestabstand zwischen zwei integrierten elektronischen Elementen in derselben metallhaltigen Schicht beträgt weniger als 30 µm.The minimum distance between two integrated electronic elements in the same metal-containing layer is less than 30 µm.

Somit können mehr integrierte elektronische Elemente auf der Oberfläche einer Keramikschicht aufgebracht werden als bislang im Stand der Technik. Der geringere Mindestabstand zwischen den integrierten elektronischen Elementen wird durch das offenbarte Verfahren möglich.Thus, more integrated electronic elements can be applied to the surface of a ceramic layer than previously in the prior art. The smaller minimum distance between the integrated electronic elements is made possible by the disclosed method.

Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Figuren näher erläutert werden. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt. Gleiche oder ähnliche Elemente in den Figuren werden dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

  • 1 zeigt im Querschnitt ein keramisches Vielschichtbauteil, umfassend Keramikschichten, metallhaltige Schichten und integrierte elektronische Elemente.
  • 2 zeigt in der Draufsicht eine beispielhafte Keramikschicht mit aufgebrachter, grobstrukturierter metallhaltiger Schicht.
  • 3 zeigt in der Draufsicht die beispielhafte Keramikschicht mit aufgebrachter, feinstrukturierter metallhaltiger Schicht.
  • 4 zeigt in der Draufsicht drei metallhaltige Schichten einer Ausführungsform eines Vielschichtbauteils mit integrierten elektronischen Elementen.
  • 5 zeigt in der Draufsicht eine Ausführungsform einer Keramikschicht mit aufgebrachter, feinstrukturierter metallhaltiger Schicht.
Exemplary embodiments of the invention are to be explained in more detail below with reference to schematic figures. The invention is not limited to the disclosed embodiments. Identical or similar elements in the figures are provided with the same reference symbols.
  • 1 shows in cross section a ceramic multi-layer component comprising ceramic layers, metal-containing layers and integrated electronic elements.
  • 2 shows a plan view of an exemplary ceramic layer with an applied, coarsely structured, metal-containing layer.
  • 3 shows a plan view of the exemplary ceramic layer with an applied, finely structured, metal-containing layer.
  • 4 shows three metal-containing layers of an embodiment of a multi-layer component with integrated electronic elements in a plan view.
  • 5 shows a plan view of an embodiment of a ceramic layer with an applied, finely structured, metal-containing layer.

1 zeigt eine Ausführungsform eines keramischen Vielschichtbauteils 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Vielschichtbauteil 1 hat eine Unterseite 1A und eine Oberseite 1B. Das Vielschichtbauteil 1 umfasst acht Keramikschichten 2. Auf sieben dieser Keramikschichten 2 ist eine metallhaltige Schicht 3 aufgebracht. So liegt zwischen immer jeweils zwei Keramikschichten 2 eine metallhaltige Schicht 3. An Unterseite 1A und Oberseite 1B liegt jeweils eine Keramikschicht 2 vor. 1 12 shows an embodiment of a ceramic multilayer component 1 according to the present invention. The multilayer component 1 has a bottom 1A and a top 1B. The multi-layer component 1 comprises eight ceramic layers 2. A metal-containing layer 3 is applied to seven of these ceramic layers 2. Thus there is always a metal-containing layer 3 between every two ceramic layers 2. A ceramic layer 2 is present on the underside 1A and on the upper side 1B.

Das Vielschichtbauteil 1 wurde aus einem Vielschichtsubstrat vereinzelt. Die Vereinzelung wurde mittels Sägen vorgenommen. Das Vielschichtsubstrat kann eine Vielzahl von Vielschichtbauteilen 1 von gleicher Abmessung und Beschaffenheit umfassen. Die Abmessungen einer Oberfläche einer Keramikschicht im Vielschichtsubstrat betragen zwischen 20 cm und 25 cm in Länge und Breite. Die Höhe einer Keramikschicht beträgt im ungesinterten Zustand ca. 50 µm und nach dem Sintern ca. 25 µm.The multilayer component 1 was isolated from a multilayer substrate. The separation was made by sawing. The multilayer substrate can comprise a multiplicity of multilayer components 1 of the same dimensions and properties. The dimensions of a surface of a ceramic layer in the multi-layer substrate are between 20 cm and 25 cm in length and width. The height of a ceramic layer is approx. 50 µm in the unsintered state and approx. 25 µm after sintering.

Die metallhaltigen Schichten 3 umfassen integrierte elektronische Elemente 4. In 1 sind verschiedene Beispiele integrierter elektronischer Elemente 4 gezeigt. Um unerwünschte kapazitive und/oder induktive Wechselwirkungen zu vermeiden, wird ein Mindestabstand zwischen den einzelnen integrierten elektronischen Elementen 4 eingehalten.The metal-containing layers 3 include integrated electronic elements 4. In 1 various examples of integrated electronic elements 4 are shown. In order to avoid undesired capacitive and/or inductive interactions, a minimum distance between the individual integrated electronic elements 4 is maintained.

Ein Beispiel eines integrierten elektronischen Elements 4 ist die Spule 4A, die sich mit insgesamt 1,5 Windungen von der zweituntersten bis zur viertuntersten metallhaltigen Schicht des Vielschichtbauteils 1 erstreckt. Jede dieser Schichten umfasst einen Abschnitt der Spule 4A, welcher einer halben Windung entspricht. Zwischen den drei Abschnitten der Spule 4A liegen Keramikschichten 2 vor. Die jeweiligen Enden der Abschnitte der Spule 4A weisen Kontaktstellen 5 auf. Die jeweils korrespondierenden Kontaktstellen 5 sind durch die Keramikschicht 2 hindurch per Vias 6 elektrisch kontaktiert.An example of an integrated electronic element 4 is the coil 4A, which extends from the second-lowest to the fourth-lowest metal-containing layer of the multilayer component 1 with a total of 1.5 turns. Each of these layers comprises a section of the coil 4A which corresponds to half a turn. Ceramic layers 2 are present between the three sections of the coil 4A. The respective ends of the portions of the coil 4A have pads 5 thereon. The respectively corresponding contact points 5 are electrically contacted through the ceramic layer 2 by vias 6 .

Weiterhin weist das Vielschichtbauteil 1 in der zweituntersten metallhaltigen Schicht 3 zwei Leiterbahnen 4B auf. Die Leiterbahnen sind in einem Abstand von 30 µm auf der untersten Keramikschicht 2 aufgebracht.Furthermore, the multilayer component 1 has two conductor tracks 4B in the second-lowest metal-containing layer 3 . The conductor tracks are applied to the bottom ceramic layer 2 at a distance of 30 μm.

Daneben umfasst das Vielschichtbauteil 1 weitere technische Anordnungen, wie eine Antenne 7. Um Störsignale zu vermeiden wird ein Mindestabstand zwischen den integrierten elektronischen Elementen 4 und der Antenne 7 eingehalten.In addition, the multi-layer component 1 includes other technical arrangements, such as an antenna 7. In order to avoid interference signals, a minimum distance between the integrated electronic elements 4 and the antenna 7 is maintained.

2 zeigt in einer Draufsicht eine beispielhafte Keramikschicht 2 eines Vielschichtbauteils 1, auf die eine pastöse und grobstrukturierte metallhaltige Schicht 3 aufgebracht ist. Die Keramikschicht 2 umfasst z.B. Aluminiumoxid. Die metallhaltige Schicht 3 umfasst ein pastöses Material. Der Hauptbestandteil dieses pastösen Materials sind hier Silberkörner. Darüber hinaus umfasst das pastöse Material ein Lösungsmittel und gegebenenfalls ein organisches Bindemittel. 2 shows a plan view of an exemplary ceramic layer 2 of a multi-layer component 1, to which a pasty and coarsely structured metal-containing layer 3 is applied. The ceramic layer 2 comprises aluminum oxide, for example. The metal-containing layer 3 comprises a pasty material. The main component of this pasty material are silver grains. In addition, the pasty material includes a solvent and optionally an organic binder.

Die metallhaltige Schicht 3 umfasst verschiedene integrierte elektronische Elemente 4. Eines dieser integrierten elektronischen Elemente 4 ist die Spule 4A. Die beispielhafte metallhaltige Schicht umfasst einen ersten Abschnitt der Spule 4A, der dreiviertel Windungen entspricht. Am Ende des Abschnitts der Spule befindet sich eine Kontaktstelle 5. Hier ist die Spule 4A mit einem Via 6 kontaktiert. Die Spule 4A ist mittels einer Leiterbahn 4B mit einer kompakten metallhaltigen Schicht 4C verbunden.The metal-containing layer 3 comprises various integrated electronic elements 4. One of these integrated electronic elements 4 is the coil 4A. The exemplary metal-containing layer comprises a first portion of the coil 4A corresponding to three quarter turns. At the end of the section of the coil there is a contact point 5. The coil 4A is contacted with a via 6 here. The coil 4A is connected to a compact metal-containing layer 4C by means of a conductor track 4B.

In der Keramikschicht 2 sind hier sechs Antennen 7 integriert. Die Antennen 7A und 7B liegen innerhalb der kompakten Schicht 4C. Eine Antenne kann beispielsweise in der vorliegenden Ausführungsform durch mehrere koaxial übereinander angeordnete metallhaltige Vias gebildet werden. Die koaxial übereinander angeordneten Vias ergeben eine Antenne die sich lückenlos über mehrere übereinander angeordnete Keramikschichten 2 und metallhaltige Schichten 3 erstreckt. Eine Antenne kann sich über alle Schichten eines Vielschichtbauelements 1 und darüber hinaus erstrecken.Six antennas 7 are integrated in the ceramic layer 2 here. The antennas 7A and 7B lie within the compact layer 4C. In the present embodiment, for example, an antenna can be formed by a plurality of metal-containing vias arranged coaxially one above the other. The vias arranged coaxially one above the other result in an antenna which extends without gaps over a plurality of ceramic layers 2 and metal-containing layers 3 arranged one above the other. An antenna can extend over all layers of a multilayer component 1 and beyond.

Der erforderliche Mindestabstand zwischen diesen Antennen 7A und 7B und der kompakten metallhaltigen Schicht 4C kann eingehalten werden.The required minimum distance between these antennas 7A and 7B and the compact metal-containing layer 4C can be maintained.

Die metallhaltige Schicht 3 ist per Siebdruck auf die Keramikschicht 2 aufgetragen. Aufgrund der Unzulänglichkeiten des Druckverfahrens sind Abschnitte der metallhaltigen Schicht 3 teilweise ungenau auf der Keramikschicht 2 aufgebracht. Diese Abschnitte, deren Abmessungen in Fläche und Position von den Sollwerten abweichen, werden als kritische Abschnitte bezeichnet.The metal-containing layer 3 is applied to the ceramic layer 2 by screen printing. Due to the inadequacies of the printing process, sections of the metal-containing layer 3 are partially imprecisely applied to the ceramic layer 2 . Those sections whose dimensions deviate from the design values in terms of area and position are referred to as critical sections.

So sind hier beispielsweise wie dargestellt die erforderlichen Mindestabstände zwischen der metallhaltigen Schicht 3 und den Antennen 7A nicht eingehalten. Dies kann bei Stromfluss in der metallhaltigen Schicht 3 beispielsweise zu Störsignalen und Beeinflussung der Impedanz in den Antennen 7A führen.For example, the required minimum distances between the metal-containing layer 3 and the antennas 7A are not as shown here complied with. When current flows in the metal-containing layer 3, this can lead to interference signals and influence the impedance in the antennas 7A, for example.

Weiterhin kann die Leiterbahn 4B nicht so schmal wie gewünscht gedruckt werden. Die Abmessung einer Leiterbahnen, die per Siebdruck aufgebracht wird, ist auf eine Mindestbreite von ca. 50 µm limitiert.Furthermore, the conductive line 4B cannot be printed as narrow as desired. The dimension of a conductor track that is applied by screen printing is limited to a minimum width of approx. 50 µm.

Auch deckt sich die Kontaktstelle 5 der Spule 4A nicht passgenau mit dem Via 6. Grund hierfür ist wiederum die unzureichende Genauigkeit des Siebdruckverfahrens. Durch diese Positionsungenauigkeit der Kontaktstelle 5 können unerwünschte elektrische Verluste verursacht werden.Also, the contact point 5 of the coil 4A does not exactly match the via 6. The reason for this is again the insufficient accuracy of the screen printing process. This positional inaccuracy of the contact point 5 can cause undesirable electrical losses.

3 zeigt die beispielhafte Keramikschicht 2 aus 2 mit aufgebrachter metallhaltiger Schicht 3, nachdem die metallhaltige Schicht 3 per Laserbestrahlung feinstrukturiert wurde. 3 12 shows the exemplary ceramic layer 2 2 with an applied metal-containing layer 3 after the metal-containing layer 3 has been finely structured by laser irradiation.

Hierzu wurde die grobstrukturierte metallhaltige Fläche 3 von einem AOI-System gescannt und die zuvor beschriebenen kritischen Abschnitte, deren Abmessungen und Positionen von den Sollwerten abweichen, in einen entsprechenden Datensatz gespeichert.For this purpose, the roughly structured metal-containing surface 3 was scanned by an AOI system and the critical sections described above, the dimensions and positions of which deviate from the target values, were stored in a corresponding data set.

Anschließend werden die kritischen Abschnitte mit einem Laser bestrahlt, so dass sich die kritischen Abschnitte erwärmen. Hierfür wird ein Laser mit einer passenden Wellenlänge und Leistung gewählt. Beispielsweise wird ein Laser mit einer Wellenlänge zwischen 900 nm und 1100 nm und einer Leistung zwischen 4 W und 6 W gewählt. Der Spotdurchmesser des Lasers beträgt bevorzugt weniger als 30 µm.Then, the critical portions are irradiated with a laser so that the critical portions are heated. A laser with a suitable wavelength and power is selected for this purpose. For example, a laser with a wavelength between 900 nm and 1100 nm and a power between 4 W and 6 W is chosen. The spot diameter of the laser is preferably less than 30 μm.

Durch die Bestrahlung des Lasers erwärmt sich das pastöse Material der metallhaltigen Schicht 3. Dies führt zur Verflüchtigung des organischen Lösemittels. Weiterhin lösen sich die physikalischen oder chemischen Bindungen zwischen den einzelnen Silberkörnern. Das pastöse Material zersetzt sich somit zu einem Silberpulver.The pasty material of the metal-containing layer 3 heats up as a result of the laser irradiation. This leads to the volatilization of the organic solvent. Furthermore, the physical or chemical bonds between the individual silver grains are broken. The pasty material thus decomposes into a silver powder.

Das Silberpulver kann anschließend von der Keramikoberfläche 2 abgesaugt werden.The silver powder can then be sucked off the ceramic surface 2 .

Somit wird die in 3 abgebildete Feinstruktur erhalten.Thus, the in 3 pictured fine structure preserved.

In dieser ist durch die Abtragung der jeweiligen kritischen Abschnitte der kompakten Fläche 4C der Mindestabstand zwischen den Antennen 7A und der kompakten Fläche 4C nun eingehalten. Dies führt zu einer Abnahme von elektrischen Wechselwirkungen und daraus resultierenden Störsignalen.In this, the minimum distance between the antennas 7A and the compact surface 4C is now maintained by removing the respective critical sections of the compact surface 4C. This leads to a decrease in electrical interactions and the resulting interference signals.

Die Leiterbahn 4B ist mittels Laserbestrahlung auf eine Breite von beispielsweise 30 µm geschrumpft worden. Schmalere Abmessungen erlauben eine höhere Zahl an Leiterbahnen auf einer Keramikoberfläche derselben Größe. Somit kann die Leistungsfähigkeit eines aus solchen Keramikschichten 2 aufgebauten Vielschichtbauteils 1 gesteigert werden.The conductor line 4B has been shrunk to a width of, for example, 30 μm by means of laser irradiation. Smaller dimensions allow a higher number of circuit traces on a ceramic surface of the same size. The performance of a multi-layer component 1 constructed from such ceramic layers 2 can thus be increased.

Die Kontaktstelle 5 ist mittels Laserbestrahlung präzisiert worden. Die Kontaktstelle überlappt nun nahezu passgenau mit dem Via 6. Dies führt zu einer Reduzierung der ungewollten elektrischen Verluste.The contact point 5 has been made precise by means of laser irradiation. The contact point now overlaps the Via 6 with an almost perfect fit. This leads to a reduction in unwanted electrical losses.

Aus mehreren Keramikschichten 2 mit aufgedruckten metallhaltigen Schichten 3 kann nach erfolgter und beschriebener Feinstrukturierung ein Vielschichtbauteil gestapelt werden. Das Stapeln wird so ausgeführt, dass Kontaktstellen 5 von Abschnitten jeweils zusammengehöriger integrierter elektronischer Elemente 4 möglichst passgenau über zugehörigen Vias 6 positioniert sind, um elektrische Verluste zu vermeiden. Ein Via 6 kontaktiert jeweils zwei Kontaktstellen 5 zusammengehöriger Abschnitte eines integrierten elektronischen Elements 4 durch eine Keramikschicht 2 hindurch.A multi-layer component can be stacked from a plurality of ceramic layers 2 with printed metal-containing layers 3 after the fine structuring has taken place and has been described. The stacking is carried out in such a way that contact points 5 of sections of respectively associated integrated electronic elements 4 are positioned as precisely as possible over associated vias 6 in order to avoid electrical losses. A via 6 makes contact in each case with two contact points 5 of sections of an integrated electronic element 4 that belong together, through a ceramic layer 2 .

4 zeigt schematisch ein Vielschichtbauteil 1 einer Ausführungsform in einer Draufsicht. Im dargestellten Beispiel sind drei Keramikschichten 2, die jeweils mit metallhaltigen Schichten 3A, 3B bzw. 3C bedruckt sind, übereinandergestapelt. Es ist nur die der untersten metallhaltigen Schicht 3C zu Grunde liegende Keramikschicht 2 dargestellt. Die darüber liegenden Keramikschichten 2 wurden aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit vernachlässigt. Die metallhaltigen Schichten 3A bis 3C des dargestellten Vielschichtbauteils 1 wurden mittels Siebdruckverfahren auf die jeweilige Keramikschicht 2 aufgebracht. 4 FIG. 1 schematically shows a multilayer component 1 of an embodiment in a plan view. In the example shown, three ceramic layers 2, which are each printed with metal-containing layers 3A, 3B and 3C, are stacked one on top of the other. Only the ceramic layer 2 on which the bottom metal-containing layer 3C is based is shown. The overlying ceramic layers 2 have been neglected for reasons of better clarity. The metal-containing layers 3A to 3C of the illustrated multi-layer component 1 were applied to the respective ceramic layer 2 by means of a screen printing process.

Das dargestellte Vielschichtbauteil 1 enthält verschiedene integrierte elektronische Elemente, wie beispielsweise eine Spule 4A und Durchkontaktierungen 4D, die Abschnitte in mehreren metallhaltigen Schichten 3 umfassen. In 4 sind beispielhaft drei metallhaltige Schichten 3A, 3B und 3C, die übereinander liegen, dargestellt.The illustrated multilayer device 1 includes various integrated electronic elements, such as a coil 4A and vias 4D, which comprise sections in a plurality of layers 3 containing metal. In 4 three metal-containing layers 3A, 3B and 3C, which lie on top of one another, are shown by way of example.

Aufgrund der Positionsungenauigkeiten des Siebdruckverfahrens liegen die zusammengehörigen Abschnitte in den verschiedenen metallhaltigen Schichten 3 versetzt vor. Dieser Lagenversatz führt zu unerwünschten elektrischen Verlusten und Störeffekten. Beim Übereinanderstapeln einer hohen Anzahl an metallhaltigen Schichten können sich solche Positionsfehler vervielfachen und die Funktion des Vielschichtbauteils erheblich einschränken. Dies ist insbesondere an den Durchkontaktierungen 4D gut zu erkennen, die in den einzelnen metallhaltigen Schichten alle leicht gegeneinander versetzt sind und daher nicht mehr passgenau übereinander angeordnet bzw. ausgerichtet sind.Due to the positional inaccuracies of the screen printing process, the sections that belong together are offset in the various metal-containing layers 3 . This layer offset leads to undesirable electrical losses and interference effects. When a large number of metal-containing layers are stacked on top of one another, such position errors can multiply and significantly limit the function of the multi-layer component. This is particularly at the vias 4D, which are all slightly offset from one another in the individual metal-containing layers and are therefore no longer arranged or aligned with an exact fit one above the other.

Mithilfe des offenbarten Verfahrens, ist es möglich, Positionsungenauigkeiten und daraus resultierenden Lagenversatz von Abschnitten gleicher integrierter elektronischer Bauelemente 4 zu minimieren. Somit können auch unerwünschte elektrische Verluste und Störeffekt reduziert werden.With the aid of the method disclosed, it is possible to minimize positional inaccuracies and the resulting layer offset of sections of the same integrated electronic components 4 . Undesirable electrical losses and interference effects can thus also be reduced.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Keramikschicht 2 eines Vielschichtbauteils 1. auf der Keramikschicht 2 ist wiederum eine metallhaltige Schicht 3 aufgetragen. Die metallhaltige Schicht 3 umfasst integrierte elektronische Elemente 4. Hierzu zählt die Leiterbahn 4E. Die Leiterbahn 4E zeichnet sich im vorliegenden Beispiel dadurch aus, dass sie an ihrer schmalen Seite eine Breite von 30 µm aufweist. Diese Breite wurde mithilfe des offenbarten Verfahrens erzielt. 5 12 shows a further embodiment of a ceramic layer 2 of a multi-layer component 1. A metal-containing layer 3 is in turn applied to the ceramic layer 2. FIG. The metal-containing layer 3 includes integrated electronic elements 4. This includes the conductor track 4E. In the present example, the conductor track 4E is characterized in that it has a width of 30 μm on its narrow side. This width was achieved using the disclosed method.

Hierzu wurde aus einer großflächigen kompakten metallhaltigen Schicht 4C mittels Laser entlang von zwei Bahnen 8 das metallhaltige Material entfernt. Hierzu wurde die metallhaltige Schicht 4C im Bereich der Bahnen 8 durch Bestrahlung mittels Laser zersetzt und das entstandene Pulver anschließend abgesaugt. Die beiden benachbarten Bahnen 8 sind parallel angeordnet, wobei der Abstand der beiden nächstgelegenen Ränder der beiden Bahnen nur 30 µm beträgt. Der zwischen den beiden Bahnen 8 stehen gebliebene metallhaltige Streifen 4E fungiert als Leiterbahn, deren geringe Breite von hier 30µm nicht allein mit dem Aufdruckverfahren sondern erst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden konnte.For this purpose, the metal-containing material was removed from a large-area, compact, metal-containing layer 4C by means of a laser along two tracks 8. For this purpose, the metal-containing layer 4C in the area of the tracks 8 was decomposed by irradiation with a laser and the resulting powder was then sucked off. The two adjacent tracks 8 are arranged in parallel, with the distance between the two nearest edges of the two tracks being only 30 μm. The metal-containing strip 4E remaining between the two tracks 8 functions as a conductor track, the small width of which, here of 30 μm, could not only be produced with the imprinting method but only with the method according to the invention.

BezugszeichenlisteReference List

11
Vielschichtbauteilmultilayer component
1A1A
Unterseite des Vielschichtbauteils 1Underside of the multi-layer component 1
1B1B
Oberseite des Vielschichtbauteils 1Top of the multi-layer component 1
22
Keramikschichtceramic layer
33
metallhaltige Schichtmetal-containing layer
44
integriertes elektronisches Elementintegrated electronic element
4A4A
SpuleKitchen sink
4B,E4B,E
Leiterbahnentraces
4C4C
kompakte metallhaltige Schichtcompact metal-containing layer
4D4D
Durchkontaktierungvia
55
Kontaktstellecontact point
66
ViaVia
77
Antenneantenna
7A,B7A,B
Antennen innerhalb der kompakten Schicht 4CAntennas within the compact layer 4C
88th
Bahn, frei von metallhaltiger Schicht 3Web free of metal-containing layer 3

Claims (8)

Verfahren zur Feinstrukturierung von grobstrukturierten, pastösen, metallhaltigen Schichten (3), umfassend die folgenden Schritte: - Aufbringen einer metallhaltigen Schicht (3) , die eine Grobstruktur aufweist und ein pastöses Material umfasst, dessen Hauptkomponenten ein oder mehrere Metalle und ein organisches Lösemittel sind, auf eine Oberfläche einer Keramikschicht (2), die eine Grünfolie umfasst, - Scannen der Lage und Fläche der metallhaltigen Schicht (3) und Generieren eines Datensatzes aus den erfassten Daten, - Auswerten des Datensatzes durch Vergleich mit vorgegebenen Werten, - Ermitteln kritischer Abschnitte der metallhaltigen Schicht (3), die von den vorgegebenen Werten abweichen, - Zersetzen der kritischen Abschnitte per Laserbestrahlung in ein metallhaltiges Pulver, wobei die grobstrukturierte metallhaltige Schicht (3) in eine gewünschte feinstrukturierte Schicht (3) überführt wird, - Sintern der Keramikschicht (2) und der darauf aufgebrachten metallhaltigen Schicht (3) nach erfolgter Feinstrukturierung.Method for the fine structuring of coarsely structured, pasty, metal-containing layers (3), comprising the following steps: - Application of a metal-containing layer (3), which has a coarse structure and includes a pasty material whose main components are one or more metals and an organic solvent, on a surface of a ceramic layer (2) which includes a green film, - Scanning the position and area of the metal-containing layer (3) and generating a data set from the recorded data, - Evaluation of the data set by comparison with specified values, - Determining critical sections of the metal-containing layer (3) that deviate from the specified values, - decomposing the critical sections by laser irradiation into a metal-containing powder, the coarsely structured metal-containing layer (3) being converted into a desired finely structured layer (3), - Sintering of the ceramic layer (2) and the metal-containing layer (3) applied thereto after fine structuring has taken place. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die metallhaltige Schicht (3) per Siebdruck auf die Oberfläche der Keramikschicht (2) aufgebracht wird.procedure after claim 1 , wherein the metal-containing layer (3) is applied to the surface of the ceramic layer (2) by screen printing. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mehrere Keramikschichten (2) mit aufgebrachten metallhaltigen Schichten (3) nach erfolgter Feinstrukturierung und vor dem Sintern zu einem keramischen Vielschichtbauteil (1) gestapelt werden.Procedure according to one of Claims 1 or 2 , wherein a plurality of ceramic layers (2) with applied layers (3) containing metal are stacked after fine structuring and before sintering to form a ceramic multi-layer component (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die metallhaltige Schicht (3) Abschnitte integrierter elektronischer Elemente (4) umfasst.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , wherein the metal-containing layer (3) comprises sections of integrated electronic elements (4). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Scannen und das Auswerten des erhaltenen Datensatzes automatisiert durch ein automatisches optisches InspektionsSystem (AOI-System) erfolgen.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , whereby the scanning and the evaluation of the data set obtained are carried out automatically by an automatic optical inspection system (AOI system). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das metallhaltige Pulver durch Absaugen von der Oberfläche der Keramikschicht (2) entfernt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , wherein the metal-containing powder is removed by suction from the surface of the ceramic layer (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die metallhaltige Schicht (3) als Nebenkomponente nicht-metallhaltige Materialien, insbesondere keramische Materialien, umfasst.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , The metal-containing layer (3) as a by-come component non-metallic materials, in particular ceramic materials, includes. Keramisches Vielschichtbauteil (1), welches nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 gefertigt ist und welches mehrere Keramikschichten (2) und jeweils dazwischen angeordnete feinstrukturierte, metallhaltige Schichten (3) umfasst, wobei: - die Keramikschichten (2) Vias (6) zur elektrischen Durchkontaktierung umfassen, - die metallhaltigen Schichten (3) Abschnitte integrierter elektronischer Elemente (4) umfassen, und - die Keramikschichten (2) und die metallhaltigen Schichten (3) so übereinander gestapelt sind, dass integrierte elektronische Elemente (4), die sich über mehrere metallhaltige Schichten (3) erstrecken, gebildet werden, wobei - Kontaktflächen (5) zusammengehöriger Abschnitte integrierter elektronischer Elemente (4) in verschiedenen metallhaltigen Schichten (3) passgenau über ein zugehöriges Via (6) elektrisch verbunden sind, und - der Mindestabstand zwischen zwei integrierten elektronischen Elementen (4) in derselben metallhaltigen Schicht (3) weniger als 30 µm beträgt.Ceramic multi-layer component (1), which according to a method according to one of Claims 1 until 7 and which comprises a plurality of ceramic layers (2) and finely structured, metal-containing layers (3) arranged between them, wherein: - the ceramic layers (2) comprise vias (6) for electrical through-connection, - the metal-containing layers (3) comprise sections of integrated electronic elements (4) and - the ceramic layers (2) and the metal-containing layers (3) are stacked one on top of the other in such a way that integrated electronic elements (4) which extend over a number of metal-containing layers (3) are formed, wherein - contact surfaces ( 5) associated sections of integrated electronic elements (4) in different metal-containing layers (3) are electrically connected with a precise fit via an associated via (6), and - the minimum distance between two integrated electronic elements (4) in the same metal-containing layer (3) is less than is 30 µm.
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