DE4201612C2

DE4201612C2 - Verfahren zur galvanischen Metall- und Legierungseinbringung in strukturierte Glas- oder Glaskeramikkörper und Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von Metallverbunden

Info

Publication number: DE4201612C2
Application number: DE4201612A
Authority: DE
Inventors: Alf Harnisch; Hans-Juergen Horst; Christine Jakob; Rolf Dr Nutsch; Kristina Schmidt; Dagmar Prof Dr Ing Huelsenberg; Heinz Prof Dr Liebscher
Original assignee: JAKOB CHRISTINE DOZ DR
Current assignee: JAKOB CHRISTINE DOZ DR
Priority date: 1992-01-22
Filing date: 1992-01-22
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2012-01-23
Also published as: DE4201612A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanischen Metall- oder Legierungseinbringung in Glas- oder Glaskeramikkörper sowie seine Verwendung zum Fügen von Metall mit Glas oder Glas keramik oder zur Herstellung von freistehenden Metallstrukturen.

Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wird eine spannungsarme Verbindung von Glas mit Metall realisiert. Verwendet man einen mikrostrukturierten Glaskeramikkörper, ist eine Fertigung von Mikrobaugruppen mit speziellen mechanischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften möglich.

Wird eine Hohlraumausfüllung- und/oder Hohlraumschaffung mehrere Male nacheinander durchgeführt, entstehen Mehrmetall- oder freie Metallstrukturen.

Glas- oder Glaskeramiksubstrate für die Elektrotechnik/Elektronik können mit isolierten Metalleinlagerungen, Leiterbahnen, Kontakt- und Kühlflächen durch ein und dasselbe Verfahren versehen werden.

Mit dem Verfahren ist des weiteren eine Gütekontrolle der eingebrachten Hohlräume möglich, indem die durchgehenden Hohlräume mit Metall ausgefüllt werden, anschließend der Glaskörper (z. B. durch Ätzen) entfernt wird und eine Beurteilung der freistehenden Metallstrukturen (z. B. REM) erfolgt.

Bekannt sind vielfältige Verfahren zur Aufbringung von Metallen auf die Oberfläche von Substraten jeglicher Art.

Speziell zur Metallisierung von Glas und Keramik sind Drucken mit mit Metall gefüllten Pasten oder Lacken, Zersetzung metallorganischer Verbindungen, Abscheiden von Metallschichten aus der Gasphase und naßchemische Verfahren bekannt und teilweise verbessert oder weiterentwickelt worden (z. B. DE 40 23 619 A1, DE 39 28 435 A1).

Gemäß DE 37 10 190 A1 und DE 39 22 233 A1 ist mit Hilfe ver schiedener Fotoverfahren ein selektives Aufbringen von Strukturen, vorzugsweise zum Zweck der Realisierung von Leiterbahnen, möglich.

Weiterhin gibt es Verfahren, die sich aus der Kombination Dickschichttechnik und galvanische Verstärkung der Metallschicht ableiten (z. B. DE 34 33 251 A1).

Bei vorstehend genannten Verfahren, die ein Aufbringen von Metallen, leitfähigen Strukturen oder ähnlichem auf die Oberfläche eines Substrates beinhalten, ist die Haftung der aufgebrachten Schicht unsicher. Vielfach sind komplizierte Behandlungsverfahren der Oberfläche, Haftvermittler oder Adhäsionsmittel erforderlich. Es ist nur bedingt möglich, sehr feine Leiterzüge, Leiterzüge mit großem Querschnitt, verschleißfeste Kontakte und voluminöse Metallflächen (z. B. als Kühlflächen) mit dem gleichen Verfahren herzustellen. Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird Metall- oder Metalloxidpulver auf die Oberfläche eines Glassubstrates aufgebracht, das Substrat über die Erweichungstemperatur erwärmt und das Metallpulver eingedrückt (DE 32 31 183 A1). Dieses Verfahren beseitigt Haftungsprobleme auf der Substratoberfläche, jedoch sind die zu erreichenden Strukturbreiten und die Genauigkeit der Strukturen für Anwendungen in der Mikrosystemtechnik nicht ausreichend.

Dieses Verfahren kann nicht für Teile von Funktionseinheiten, Kühlflächen oder ähnliches genutzt werden.

Neben dem Aufbringen von Leiterbahnen ist bei einer anderen Gruppe von Lösungen (z. B. DE 39 28 832 A1, DE 38 06 884 C1) ein Durchkontaktieren möglich.

Diese Lösungen beziehen sich im wesentlichen auf polymeres oder keramisches Trägermaterial und sind für die Herstellung von Leiterplatten, nicht aber für die Anwendung in der Mikro systemtechnik, geeignet.

DE 31 21 131 C2 beschreibt ein Verfahren, mit dem Leiterbreiten von 50 bis 100 Mikrometer zu realisieren sind und ein Durchkontaktieren möglich ist. Es kommt das Substraktionsverfahren zur Anwendung. Daraus ergibt sich das Problem, daß ein vollständig mit Metall beschichtetes Substrat nötig ist. Das Problem reduziert sich auf diese Metallbeschichtung, was einen Einsatz dieses Verfahrens für traditionelle Leiterplatten, nicht aber für Glassubstrate in der Mikrosystemtechnik rechtfertigt.

Eine Metallfüllung von Durchgangslöchern (0,33 mm Durchmesser) eines Al₂O₃-Substrates wird in DE 39 36 322 A1 beschrieben.

Das Verfahren beruht auf dem Prinzip des Aufspachtelns von Metallpasten und einem nachfolgenden Sintern. Die eingebrachte Metallstruktur dient zur Wärmeabfuhr einer Hybrid-Mikroschaltung durch das Substrat hindurch. Für eine Realisierung feinster Leiterzüge ist es nur bedingt geeignet.

Ein Verfahren zum Aufbringen von Kontaktstellen auf die Oberfläche von Glassubstraten wird in DE 37 40 741 C2 vorgestellt. Dieses Verfahren stellt eine Weiterentwicklung bereits behandelter Verfahren dar, bei dem der Schwerpunkt auf der Lötfähigkeit der aufgebrachten Strukturen liegt.

In DE 37 40 741 C2 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Lei terstrukturen in Nuten eines Substrates, vorzugsweise aus Al₂O₃, die auf der Oberfläche angeordnet sind, eingebracht werden. Die Haftung der Leiterstrukturen erfolgt über eine geeignete Wahl der Nutengeometrie.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß die Leiterstrukturen nur auf der Oberfläche bis in eine geringfügige Tiefe des Substrates vorhanden sind, was sich sehr nachteilig auf die Wärmeabfuhr von Funktionseinheiten, für welche große, durchgehende Metallflächen günstiger sind, auswirkt. Die Schaffung von freien Strukturen wird durch das verwendete Al₂O₃-Substrat relativ kompliziert, wenn nicht unmöglich. Des weiteren wird der verwendete Effekt der Abscheidung auf drei Seiten der Nuten, bei Nuten mit sich sehr stark unterscheidenden Breiten, nicht zum vollständigen Ausfüllen der Nuten führen, was bedeutet, daß das Verfahren nur für bestimmte Nutenbreiten ohne größere Variation zum Einsatz kommen kann.

Ein Verfahren zum Verbinden von Glasstücken wird in AT-PS 24 922 beschrieben. Beim beschriebenen Verfahren werden Glasplatten zumindest teilweise an den Rändern mit einer Metallschicht versehen, die Glasplatten zusammengebracht und fixiert sowie anschließend in einem Galvanikbad durch galvanische Metallabscheidung verbunden. Im Ergebnis des Prozesses bildet sich ein metallischer Rahmen, durch welchen die Glasplatten fest miteinander verbunden sind.

Dieses Verfahren stellt einen deutlichen Unterschied im Vergleich zur vorliegenden Patentschrift, die auf der galvanischen Ausfüllung von durchgehenden Hohlräumen in Glasbauteilen beruht, dar.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, mit dem Metall-Glas-Verbundkörper zur umfassenden Anwendung hergestellt werden können, wobei sowohl Makro- als auch Mikrometallstrukturen und Metallstrukturen mit extremem Aspektverhältnis mit ein und demselben Verfahren herzustellen sind, eine feste formschlüssige Verbindung Glas-Metall gegeben ist und die Möglichkeit einer Mehrfachstrukturierung besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Ansprüchen 1 bis 8 angegebenen Merkmalen gelöst.

Dabei werden Glas- oder Glaskeramikkörper mit eingebrachten oder bereits vorhandenen durchgehenden Hohlräumen und einer Dicke von wenigen Mikrometern bis einigen Millimetern mit einer Metallplatte oder Metallfolie in Verbindung gebracht, wobei dies durch Anpressen, Kleben mittels spezieller Verfahren oder auf andere geeignete Weise erfolgen kann, die Glas- oder Glaskeramikkörper mittels einer Halterung in das Elektrolysebad eingebracht und die Strukturen durch galvanische Metallabscheidung gefüllt werden.

Nach der vollständigen Ausfüllung aller Strukturen wird der Glas- oder Glaskeramikkörper entnommen, gespült und je nach Verwendungszweck einer Nachbehandlung unterzogen. Ein besonderer Haftungseffekt des in das Substrat eingebrachten Werkstoffes wird durch eine Ausfüllung von kleinsten geometrischen Bezirken in den Seitenwänden der Strukturen erzielt. Als Herstellungsverfahren für die Strukturen kommen Ätzverfahren, Laserbearbeitung oder ähnliches zur Anwendung, vorausgesetzt, mit dem verwendeten Verfahren wird eine ausreichende Oberflächenstrukturierung der Seitenwände und ein durchgehender Hohlraum erreicht.

Die Ausfüllung dieser Mikrostruktur mit Metallen sowie ein nachfolgender Temperprozeß und damit eine Verstärkung der Haftung Glas-Metall durch Diffusion wirken sich positiv auf die mechanische und thermische Stabilität des Glas-Metall- Verbundes aus.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß unterschiedlichste Geometrien der Hohlräume mit ein und demselben Verfahren gleichzeitig auszufüllen sind (großes Aspektverhältnis, große Flächen, feinste Hohlraumbreiten),
daß immer wieder auftretende Haftungsprobleme bei der Aufbringung von Metallen auf die Oberfläche von Gläsern durch eine formschlüssige Verbindung Metall-Glas an den Hohlraumseitenwänden, die nach einem Temperprozeß durch Diffusion verstärkt werden kann, gelöst werden,
daß eine vielfältige Schutzfunktion des Glas- oder Glaskeramikkörpers für eingebrachte Metalle, insbesondere gegen mechanische Beschädigung, infolge der Einbringung ins Volumen besteht,
daß eine Verbindung der signifikanten Eigenschaften beider Werkstoffe in einem Körper (z. B. guter elektrischer Leiter - Isolator) möglich wird,
daß die Variation der Gläser und Metalle nur dahingehend eingeschränkt ist, daß die Gläser durchgehende Hohlräume aufweisen müssen und die Metalle oder Legierungen galvanisch abscheidbar sein müssen,
daß es möglich ist, in ein und demselben Hohlraum verschiedene Metalle/Legierungen mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften schichtweise einzubringen,
daß in einem zweiten Ätzprozeß freigelegte Metallstrukturen mechanische, elektrische und/oder magnetische Funktionen übernehmen können und
daß ein mechanisch und thermisch belastungsarmes Verbinden von Metall mit Glas möglich wird, was zu einer relativ spannungsarmen Fügestelle führt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen sind dargestellt:

Fig. 1: Verfahrensprinzip,

Fig. 2: Schema der Kupferabscheidung in Hohlräumen (senkrechte Seitenwände),

Fig. 3: Schema der Kupferabscheidung in Hohlräumen (geneigte Seitenwände).

Im ersten Ausführungsbeispiel wird die Herstellung eines Glas/Metall-Verbundsystems 6 beschrieben.

Ein durchgehend strukturiertes Glasbauteil 1 wird auf eine Metallfolie 2 aufgebracht. Die Metallfolie deckt hierbei die durchgehenden Löcher des Glasbauteils am Strukturgrund ab und bildet die Startschicht 3 zur nachfolgenden galvanischen Ausfüllung der Hohlräume des Glasbauteils. Während des Galvanikprozesses erfolgt eine gleichmäßige Füllung 4 der Hohlräume mit Metall am Strukturgrund beginnend, wobei die Seitenwände der Hohlräume des Glasbauteils präzise vom Metall ausgeformt werden. Infolge unterschiedlicher galvanischer Abscheidebedingungen in unterschiedlichen Strukturen kommt es zu Überwachsungen 5 über die Hohlraumgeometrie hinaus. Diese Überwachsungen und die Metallfolien, die die galvanische Startschicht bildete, werden in einem nachfolgenden Prozeß mechanisch entfernt. Als Resultat 6 erhält man Glasbauteil, dessen durchgehende Strukturen mit Metall gefüllt sind.

Im zweiten Ausführungsbeispiel wird das "Nageln" einer Glasakeramikplatte an eine Kupferplatte beschrieben.

Eine Kupferplatte 7 beliebiger Dicke und Größe wird durch elek trolytisches Glänzen, alkalisches Entfetten und Dekapieren vorbehandelt.

In eine Scheibe aus strukturierbarer Glaskeramik 9 werden an den gewünschten "Nagelstellen" runde durchgehende Hohlräume eingebracht.

Die Glaskeramikplatte ist auf geeignete Weise an die Metallplatte anzudrücken. Ist die Metallplatte größer als die Glaskeramikplatte, werden die überstehenden Strukturen mit üblichen Mitteln isoliert.

Diese Anordnung wird in einen galvaniküblichen Kupferelektrolyten eingebracht, und die Abscheidung erfolgt (Fig. 2) beginnend an der kathodisch kontaktierten Kupferplatte 7 in den durchgehenden Hohlraum 8 des Glaskeramikkörpers 9 hinein. Ist der Hohlraum vollständig mit Metall ausgefüllt, beginnt infolge der primären Feldverteilung an den mit Kupfer gefüllten Hohlräumen die Ausbildung einer kugelförmigen Überwachsung 10.

Bei Erreichen der gewünschten Größe der Überwachung ist die Abscheidung abzubrechen.

Wird eine Strukturierung der Glaskeramikplatte entsprechend Fig. 3 durchgeführt, wird bei rechtzeitigem Abbrechen der Abscheidung (bevor die Oberkante 11 erreicht ist) eine versenkte Ausführung des "Nagelkopfes" möglich.

Im Ergebnis der Abscheidung entsteht eine mechanisch feste, formschlüssige Verbindung zwischen Glas- und Metallplatte, die infolge der galvanischen Metallabscheidung keine zusätzlichen Spannungen im Glas hervorruft.

Claims

1. Verfahren zum galvanischen Einbringen von Metall oder Legierung in Hohlräume eines Glas- oder Glaskeramikkörpers, bei dem an den mit durchgehenden Hohlräumen versehenem Glas- oder Glaskeramikkörper eine die Hohlräume überdeckende Metallfolie oder Metallplatte zur kathodischen Kontaktierung angebracht wird, anschließend der mit dem Metallsubstrat verbundene Glas- oder Glaskeramikkörper in ein Elektrolysebad eingebracht wird und die Hohlräume mit Metallen oder Legierungen an der kathodisch kontaktierten Basisfläche der Hohlräume beginnend ausgefüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bereits vorhandene oder gezielt geschaffene Hohlräume verschiedenster, auch extremer Geometrie mit Metall gefüllt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die die durchgehenden Hohlräume bildenden Seitenwände oberflächenstrukturiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem unter Nutzung der freigeätzten Mikrostruktur des Glases die formschlüssige Glas/Metall- Verbindung durch einen nachfolgenden Temperprozeß verstärkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem schichtweise verschiedene Metalle und/oder Legierungen in die Hohlräume eingebracht werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Metallfolie oder die Metallplatte nach der galvanischen Auffüllung der Hohlräume von dem Glas- oder Glaskeramikkörper entfernt wird.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung einer freistehenden Metallstruktur oder einer Glas/Metall-Verbundstruktur, wobei nach der galvanischen Auffüllung der Hohlräume mit Metall der Glas- oder Glaskeramikkörper weggeätzt oder erneut strukturiert wird.

8. Verwendung nach Anspruch 7, wobei die neu entstandenen Hohlräume erneut mit galvanisch abscheidbaren Metallen oder Legierungen ausgefüllt werden.