Da Chips und elektronische Bauelemente immer kleiner und höher integriert werden, genügt die reine Oberflächenfertigung von Schaltungen auf Keramiksubstraten nicht mehr den steigenden Anforderungen an Verbindungen und Leiterbahnführung. Mikro-Vias sind daher erforderlich, um Vorder- und Rückseite des Substrats elektrisch zu verbinden, die Verbindungswege zu verkürzen und die Schaltungsdichte zu erhöhen. Aus diesem Grund hat sich die DPC-Via-Metallisierungstechnologie (Direct Plated Copper) in Anwendungen wie LEDs, Lasern, optischer Kommunikation, HF-Bauelementen und Leistungselektronik weit verbreitet.
Keramische Substrate sind jedoch von Natur aus elektrisch isolierend. Die einfache Herstellung von Mikrodurchkontaktierungen im Substrat stellt keine elektrische Verbindung zwischen den beiden Seiten her. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, eine durchgehende und zuverlässige metallische Keimschicht entlang der Innenwände der Mikrodurchkontaktierungen zu erzeugen.
1. Wie wird die elektrische Kontinuität durch keramische Mikrodurchkontaktierungen hergestellt?
Die DPC-Metallisierung beginnt typischerweise mit dem Laserbohren zur Erzeugung von Mikrovias im Keramiksubstrat, meist in Form von konischen oder geraden Durchgangslöchern. Anschließend werden die Mikrovias und die Substratoberfläche gründlich gereinigt und entgast, um Bohrrückstände, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen zu entfernen. Daraufhin wird mittels Vakuum-Sputtern eine typischerweise 50–200 nm dicke Titan-Haftschicht und anschließend eine typischerweise 0,5–2 μm dicke leitfähige Kupfer-Keimschicht auf der Substratoberfläche und entlang der Innenwände der Mikrovias abgeschieden.
Die Ti-Schicht dient als Haftvermittler zur Verbesserung der Bindungsstärke zwischen Metallfilm und Keramiksubstrat, während die Cu-Keimschicht eine durchgehende leitfähige Grundlage für die nachfolgende Galvanisierung bildet. Die Kupferschicht wird anschließend durch Galvanisierung weiter aufgebaut, typischerweise auf eine Dicke von 5–20 µm, wodurch eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den Schaltkreisen auf Vorder- und Rückseite über die metallisierten Durchkontaktierungen hergestellt wird. Vereinfacht ausgedrückt: Vakuum-Sputtern liefert die leitfähige Grundlage, während die nachfolgende Galvanisierung die Kupferdicke erhöht und dadurch den Widerstand der Durchkontaktierungen reduziert und die Zuverlässigkeit der Verbindungen verbessert.
Obwohl der Prozess einfach erscheint, hängt eine zuverlässige Via-Verbindung von einer entscheidenden Voraussetzung ab: Die Ti/Cu-Keimschicht muss die Substratoberfläche und die gesamte Innenwand jeder Mikrovia vollständig und durchgehend bedecken.
2. Vier zentrale Herausforderungen beim Vakuum-Sputtern von Ti/Cu-Keimschichten für DPC-Vias
Die Herstellung einer durchgehenden Keimschicht in engen Mikrovias ist alles andere als einfach. Rückstände in den Vias können die Filmhaftung beeinträchtigen, während die Geometrie der Mikrovias die Bedeckung der Seitenwände zunehmend erschwert. Lokale Diskontinuitäten in der Keimschicht können die nachfolgende Galvanisierung stören, und Schwankungen zwischen verschiedenen Substratpositionen und Produktionschargen können die Gesamtprozessstabilität beeinflussen. Die wichtigsten Herausforderungen beim Vakuumsputtern für die Metallisierung von DPC-Vias lassen sich in vier Bereichen zusammenfassen.
1. Rückstände in den Durchkontaktierungen können die Filmhaftung beeinträchtigen.
Nach dem Laserbohren können Keramiksubstrate Keramikpartikel, Schmelzrückstände, Bohrspäne und adsorbierte Feuchtigkeit in den Mikrokanälen enthalten. Bei Mikrokanälen mit kleinem Durchmesser und hohem Aspektverhältnis sind diese Rückstände oft deutlich schwieriger zu entfernen als Oberflächenverunreinigungen. Reichen Reinigung und Entgasung nicht aus, kann die Titan-Haftschicht keine feste und zuverlässige Verbindung mit der Keramikwand eingehen. Solche Defekte werden möglicherweise nicht sofort nach der Beschichtung sichtbar, können sich aber während nachfolgender Galvanisierung, Lötung oder Hochtemperaturbehandlung allmählich zu Blasenbildung und Delamination entwickeln.
2. Höhere Seitenverhältnisse erschweren die Seitenwandabdeckung
Die Schwierigkeit des Sputterns einer Mikro-Via lässt sich nicht allein anhand ihrer Tiefe beurteilen; das Verhältnis von Via-Tiefe zu Via-Durchmesser – das Aspektverhältnis – ist ebenso wichtig. Beispielsweise hat eine Via mit einem Durchmesser von 60 μm und einer Tiefe von 300 μm ein Aspektverhältnis von 5:1. Mit zunehmendem Aspektverhältnis führt der Via-Eingang zu einer stärkeren geometrischen Abschattung der gesputterten Partikel, wodurch die Anzahl der Partikel, die den mittleren Bereich der Seitenwand erreichen können, abnimmt. Dies kann zu relativ dicken Filmen auf der Substratoberfläche und in der Nähe der Via-Öffnung führen, während der mittlere Bereich der Via-Seitenwand deutlich dünner oder sogar diskontinuierlich wird.
3. Eine unvollständige Seed-Schicht kann eine zuverlässige Via-Verbindung verhindern.
Die grundlegende Voraussetzung für die Metallisierung von DPC-Durchkontaktierungen ist nicht nur das Vorhandensein von Kupfer an der Durchkontaktierungswand, sondern auch, ob sich die Ti/Cu-Keimschicht durchgehend von der Vorderseite des Substrats entlang der gesamten Durchkontaktierungswand bis zur Rückseite erstreckt. Selbst eine geringfügige Unterbrechung der Keimschicht kann den für die nachfolgende Galvanisierung erforderlichen leitfähigen Pfad unterbrechen. Daher lässt sich die Qualität der Keimschicht nicht allein anhand des Oberflächenbildes oder der durchschnittlichen Schichtdicke beurteilen. Besonderes Augenmerk muss auf den dünnsten Bereich der Durchkontaktierungswand und die Gewährleistung einer durchgehenden elektrischen Leitfähigkeit entlang des gesamten metallisierten Pfades gelegt werden.
4. Das Bestehen einer einzelnen Probe garantiert keine Stabilität von Charge zu Charge.
Das Erreichen der erforderlichen Oberflächenfilmdicke an einer einzelnen Probe bedeutet nicht zwangsläufig, dass der Prozess für die Massenproduktion geeignet ist. Die DPC-Fertigung erfordert zudem eine präzise Kontrolle der Beschichtungsgleichmäßigkeit zwischen Vorder- und Rückseite, zwischen dem mittleren und dem Randbereich des Substrats, über verschiedene Positionen der Vorrichtung und von Charge zu Charge. Bei Keramiksubstraten mit einer großen Anzahl von Mikrovias sollte die Prozessbewertung nicht allein auf die durchschnittliche Filmdicke abzielen. Entscheidender ist, dass der dünnste Bereich der Via-Seitenwand die für die nachfolgende Galvanisierung erforderliche elektrische Leitfähigkeit konstant beibehält.
3. Was passiert, wenn die Saatschicht nicht ordnungsgemäß abgelagert wird?
Die Ti/Cu-Keimschicht bildet die leitfähige Grundlage für die nachfolgende Galvanisierung. Ist die Keimschicht an der Durchkontaktierungswand zu dünn, unvollständig bedeckt oder weist sie Fehlstellen auf, kann der Galvanisierungsstrom nicht kontinuierlich entlang der Wand übertragen werden, und Kupferionen können an den Defektstellen nicht ausreichend reduziert und abgeschieden werden. Mit fortschreitender Galvanisierung und dem Aufbau der Kupferschicht können sich anfänglich kleine Bereiche mit unzureichender Bedeckung zu Fehlstellen in der Kupferschicht, lokalen Dickenabweichungen oder diskontinuierlicher Beschichtung innerhalb der Durchkontaktierung entwickeln.
Diese Defekte beeinträchtigen direkt die Verbindungsqualität der Schaltkreise auf der Vorder- und Rückseite des Keramiksubstrats. In weniger schwerwiegenden Fällen können sie zu erhöhtem Durchkontaktierungswiderstand, lokaler Wärmeentwicklung und Schwankungen der elektrischen Eigenschaften führen. In gravierenderen Fällen kann die elektrische Durchgängigkeit der Schaltkreise auf beiden Seiten unterbrochen werden. Beim nachfolgenden Löten, bei Alterung unter hohen Temperaturen oder bei Temperaturwechselbeanspruchung können sich an den defekten Stellen Blasenbildung, Delamination oder Risse in den Schaltkreisen entwickeln. Dies reduziert die Produktausbeute und die Langzeitstabilität und kann zum Ausfall des Bauteils führen.
4. Zhenhua Vacuums Massenproduktionslösung für Keramiksubstrate mittels Metallisierung – DPC-Vakuumbeschichtungsanlage für Keramiksubstrate
Gerätevorteile:
Automatisierung: Ein vollautomatisches Beschichtungs- und Werkstückträger-Transfersystem reduziert manuelle Eingriffe, verbessert die Produktionseffizienz und verkürzt die Gesamtzykluszeit.
Durchsatz: Unterstützt Substrate mit den Maßen 120 mm × 120 mm und einer Produktionskapazität von bis zu 288 Stück pro Stunde.
Leistung: Verbessert die elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig die Wärmeableitungsleistung des Keramiksubstrats.
Durch Metallisierung mittels Durchkontaktierung: Eine optimierte Magnetfeldkonfiguration ermöglicht eine effiziente und gleichmäßige Beschichtung der Mikro-Durchkontaktierungen.
Verfahren: Unterstützt die doppelseitige Beschichtung, um die Gleichmäßigkeit der Gesamtfilmdicke und die Konsistenz der Beschichtung zu verbessern.
Anwendungsbereiche:
Mit dem Gerät lassen sich verschiedene elementare Metallfilme abscheiden, darunter Ti, Cu, Al, Sn, Cr, Ag und Ni, und es findet breite Anwendung in der Halbleiter- und Elektronikkomponentenindustrie, beispielsweise für Keramiksubstrate, Keramikkondensatoren und LED-Keramikgehäuse/-träger.
5. Schlussfolgerung
Zhenhua Vacuum konzentriert sich auf den vorgelagerten Vakuum-Sputterprozess für die DPC-Fertigung. Durch die Verbesserung der Mikrovia-Seitenwandabdeckung und die Kombination von doppelseitiger Beschichtungstechnologie mit automatisierter Produktion bietet die Lösung stabile Ti/Cu-Keimschichten für die nachfolgende Galvanisierung und zuverlässige Via-Verbindungen. Dies unterstützt Kunden bei der Realisierung einer konsistenten Massenproduktion und fördert gleichzeitig die breitere Anwendung von DPC-Keramiksubstraten in der Halbleiterindustrie und der fortgeschrittenen Elektronik.
Dieser Artikel wurde veröffentlicht von Hersteller von VakuumbeschichtungsanlagenZhenhua Staubsauger
Veröffentlichungsdatum: 27. August 2026