DD225126A1 - Verfahren zur herstellung von multilayerisolationsstrukturen fuer die dickschichtelektronik - Google Patents

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON MULTILAYERISOLATIONSSTRUKTUREN FUER DIE DICKSCHICHTELEKTRONIK, DEREN ANWENDUNG, SPEZIELL IN DER INTEGRIERTEN HYBRIDTECHNIK, VON DER ANORDNUNG VON MINDESTENS ZWEI GEDRUCKTEN LEITERZUGEBENEN GEKENNZEICHNET UND DURCH ISOLATIONSSCHICHTEN ELEKTRISCH GETRENNT SIND. ALS NEUES WIRKPRINZIP ZUR REALISIERUNG DER PARTIELL REKRISTALLISIERTEN GLASPHASEN WIRD EINE OBERFLAECHENBELEGUNG DER GEINSTPULVER MIT KRISTALLISATIONSREAKTANTEN IN DER ART VORGENOMMEN, DASS DIESE MOLEKULAR GELOEST UEBER DEN DRUCKTRAEGER WAEHREND DES DISPERGIERUNGSPROZESSES HERANGEFUEHRT WERDEN. DIESE REAKTANTEN WERDEN IN FORM VON METALLORGANISCHEN VERBINDUNGEN EINGESETZT UND WAEHREND DES SINTERVORGANGES IN DIE OXIDISCHE MODIFIKATION UEBERFUEHRT. HIERDURCH WERDEN DIE NOTWENDIGEN REKRISTALLISATIONSVERHAELTNISSE DURCH DIE MOEGLICHEN KONZENTRATIONSVERAENDERUNGEN DER REAKTANTEN EINSTELLBAR. REKRISTALLISIERTE ISOLATIONSSCHICHTEN IN MULTILAYERANORDNUNGEN SIND FUER DIE ITERATIVEN SINTERPROZESSE VON ALTERNIERENDEN LEIT- UND ISOLATIONSSCHICHTEN NOTWENDIG. DIE ERFINDUNG BEZIEHT SICH AUF DIE PARTIELLE AUSBILDUNG EINER MONOKLINEN CELSIANPHASE IN ISOLATIONSGLASSTRUKTUREN.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Herstellung von Multilayerisolationsstrukturen für die Dickschichtelektronik

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von MuI-tilayerisolationsstrukturen für die Dickschichtelektronik, deren Anwendung, speziell in der integrierten Hybridtechnik, von der Anordnung von mindestens zwei gedruckten Leiterzugsbenen gekennzeichnet und die durch Isolationsschichten elektrisch getrennt sind. ·

Dickschichtmultilayerschaltungen werden vorrangig als Systemträger für höher integrierte Hybridsysteme eingesetzt, bei welchen sich Leiterzugkreuzungen nicht vermeiden lassen und ein hoher Integrationsgrad realisiert werden soll. Die Anwendungen sind multivalent in der Konsumgüterindustrie, in dar kommerziellen Technik, in der Medizintechnik und in der Militär- und Weltraumtechnik gegeben.

Charakteristik dar bekannten technischen Lösungen

Multilayerisolationsstrukturen werden in der Dickschichttechnik nach dem gleichen Siebdruck- und Sinterregime hergestellt wie Leit- und Widerstandsstrukturen. Für den Siebdruckprozeß werden speziell entwickelte Pasten eingesetzt, die aus funktioneilen Bestandteilen, Glasbindemitteln und Druckträgern bestehen.

Q. 7.3 4 - 0 i S 41 3 2

Multilayerisolationsstrukturen werden aus Pastensystemen hergestellt, deren Feststoff anteil meist aus reinen Glasphasen besteht und in der Sinterzone des Einbrenndurchlaufofens zura Teil rekristallisiert. Diese Rekristallisationsschichten weisen derartige stabile therraodynamische Eigenschaften auf, daß sie mehrmals das gleiche Sinterregime ohne wesentliche Störungen des Schichtaufbaus durchlaufen können. Hierdurch wird der iterative Sinterbetrieb ermöglicht, der die Komposition des Multilayeraufbaus von alternativ angeordneten Leit- und Isolationsschichten zuläßt. Durch geeignete Fensterstrukturierungen der Isolationsschichten lassen sich 2 bis 10 Leiterstrukturen übereinander in der Art realisieren, da£ sich durch eine abschließende Hybridisierung hochintegrierte Schaltungen herstellen lassen. Die Einbeziehung von ebenfalls siebgedruckten Widerständen ist möglich und läßt u.a. die Durchführung eines Funktionsabgleiches mit einem YAG-Laser zu. Zur Hybridisierung eignen sich die folgenden Bauelemente: Konventionelle Chips, Flip-Chips, Seam-leads, Miniaturpackages und nackte IC usw.

Bei Hultilayerisolationspasten werden zwei Wirkungsprinzipien bezüglich des Kristallisationsmechanismus unterschieden:

1. Das Vitroceramprinzip ist gekennzeichnet durch die Verwendung einer zu Feinstpulver aufgemahlenen Glasfritte, die bereits alle für die Kristallisation notwendigen Reaktanten enthält.

2. Das Compositprinzip ist gekennzeichnet durch die Verwendung einer zu Feinstpulver aufgemahlenen Glasfritte, der als Composit eine für die Kristallisation notwendige Komponente als Feinstpulver zugesetzt wird.

Multilayerisolationsstrukturen werden im allgemeinen im Zweifachdruck auf ein, mit der ersten gesinterten Leiterbahn versehenen, Substrat übertragen." Der SinterprozeS der beiden Isolationsschichten erfolgt simultan bei dem Brennprofil, welches auch zur Realisierung der Leiterbahn- und Widerstandsstrukturen angewendet wird z.B. im 50 Minutenzyklus mit 10 Minuten Haltezeit bei 850 ⁰C + 1 K.

Als Prototyp für die rekristallisierende Phase in einer Glasmatrix ist die monokline Celsianbildung anzusehen. Hierbei

handelt es sich um die kristalline Ausbildung eines Bariumaluraosilikatsystems nach BaO-Al₃O₃-Z SiO₃.

Die analytische Zusammensetzung kommerzieller Multilayerisolationspasten nach dem Celsianprinzip liegt in folgenden

Grenzen:	25 -	35	Gew	.-%	SiO2
	3 -	6	Gew	JO/	B2°3
	8 -	16	Gew	.-%
	4 -	8	Gew	JC/	CaO
	O -	4	Gew	·—A)	MgO
	6-	12	Gew	CV .—/0	ZnO
	20 -	30	Gew	BaO

Im allgemeinen werden die gedruckten und getrockneten Multilayerisolationspasten (Mi-Pasten) einem definierten Brennprofil in einem Durchlaufsinterofen unterzogen. Hauptsächlich wird das 60-Minutenprofil mit 10 Minuten Haltezeit bei 850 ⁰C + 1 K angewendet. Vor der Sinterzone v/erden die zu sinternden Strukturen durch die Auebrennzone geführt, in der die gesamte organische Phase (Druckträgerharze bzw. Polymere) durch pyrolytische Verbrennungen quantitativ entfernt wird. Bei der Anwendung einer inerten Brandführung (Stickstoff) muß die organische Phase über pyrolytische Fugazitäten, d.h. ohne Verbrennungsprozesse, quantitativ ausgetrieben werden. Keinesfalls dürfen sich Kohlenstoffträger bei beginnender Sinterung in den Porenräumen befinden, da Kohlenstoffausscheidungen (Norit, Glanzkohlenstoff) den geforderten Isolationswiderstand von

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10 Ohm (bei einer Schichtdicke von 40,um und 1 cm Grund- und Deckelektrode) nicht gewährleisten. ' Während der Haltezeit bei der Sintertemperatur sollen die thermodynamischen Zustände eingestellt werden, welche die Celsiankristallisation (monokl.) erwarten lassen. Da dieser Prozeß intermediär an die Keimbildungsarbeiten mit anschließenden Wachstumsgradienten gebunden ist, gelten auch die typischen Fakten der Keimbildungsverzögerung oder des Ausbleibens der funktionell geforderten Kristallisation.

Um dieses Fehlverhalten möglichst ausschließen zu können, ist wenigstens ein Pastenproduzant dazu übergegangen, dem Feinstpulverversatz nach dem Vitroceram- und/oder Compositprinzip Celsiankeime in Feinstpulverform zuzusetzen.

Gemäß DE-OS 2.655.085 können partiell rekristallisierenden Gläsern auch Kristallkeimbildner vom Typ ZrO₂ und TiO₂ zugesetzt werden. Ein ähnliches Verhalten wurde im GB-PS 1.416.981 durch die Einbeziehung dieser "Trübungsoxide" in der Summe 5-15 Gew.% und in derDE-OS 2.714.220 durch die Einbeziehung kristalliner ternärer Oxide in der Summe von 10-35 Gew.-% beschrieben. Um das Problem der iterativen thermischen Beständigkeit, des hohen Isolationswiderstandes und einer hohen Durchschlagfestigkeit (Stehspannungsprüfung) zu meistern, wurde weiterhin in der DE-OS 2.445.140 vorgeschlagen, daß die Mi-Schichtanordnung aus zwei Schichten aufgebaut wird. Die erste Schicht soll aus einem Borsilikatgas (?5 Gew.-%· B₂O₃, -7 55 Gevu-% SiO₂) und die zweite Schicht aus einer Glaskeramik mit 720 Gew.-% Kristallanteil be-

,--.., stehen.

Allen bekannten Multilayerisolationspasten, aus denen die MI-Strukturen durch einen Sinterprozeß erzeugt werden, ist gemeinsam, daß analytisch homogene Feinstpulver eingesetzt werden. Bei den Vitroceramgläsern ist diese Eigenschaft klar ersichtlich, auch wenn als zweite analytisch homogene Phase Feinstkeimbildneroxide eingesetzt werden. Compositgläser bestehen ebenfalls aus zwei oder mehreren analytisch homogenen Phasen. Die partiellen thermodynamischen Kristallisolationsbedingungen müssen sich unter dem Sinterteniperatureinfluß zwischen diesen Phasen ausbilden.

Von Schiller, Horte und Wiegmann (Wiss. Beiträge der FS-Universität Oena, 1981, S. 45) wurde u.a. Angaben zum Rekristallisa-

( j tionstyp von Gläsern gemacht und speziell auf das Celsianproblem eingegangen. Demnach handelt es sich bei dem System BsO Al₂O₃ - SiO_ um Gläser mit Oberflächenkeimbildung und einem Wachstumsvektor zum Inneren der sich bildenden Gelsianprimärteilchen. Für diesen Typ wurde mitgeteilt, daß sich zunächst nicht die thermodynamisch stabile Celsianphase ausbildet, sondern diejenigen Mikrobezirke, die durch besondere Konzentrationsverhältnisse an BaO, Al₂O₃ und SiO₂ gekennzeichnet sind. Das technologisch schwer beherrschbare Multilayerisolationsproblem findet mit diesen Aussagen eine überraschende Erklärung. Zu bemängeln ist bei dem beschriebenen technischen Stand, daß es bisher nicht möglich ist, über die vorliegenden analytisch homogenen Glasfeinstpulver- oder Keimbildungsphasen die Kon-

zentrationsverhältnisse an BaO, ^Al₂°3 ^{unci Si0}2 ^{in den} flächen so zu beeinflussen, daß sich reproduzierbare und gleichzeitig physikalisch optimale MI-Strukturen nach dem Sinterprozeß ergeben.

Auch aus ökonomischer Sicht ist die Wertigkeit von Multilayerisolationspasten ersichtlich, da diese im Preis zum Teil oberhalb von Ag/Pb-Leitpasten auf dem Weltmarkt angeboten werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die dem beschriebenen Stand der Technik anhaftenden Nachteile zu beseitigen. Der partielle Rekristallisationsmechanismus von Multilayerisolationsgläsern soll durch ein neues Wirkprinzip von den technologischen Unsicherheiten befreit und über eine geeignete Regelgröße beeinflußbar gemacht werden. Gleichzeitig soll ein technisch-ökongraiseher „Menraufwand vermieden und ^die^materielle Produktionsdurchführung gesichert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Das mangelhafte Verhalten der bekannten technischen Lösungen und einige Maßnahmen zur Minderung dieser Mangel wurden für den Vitroceram- und Composittyp beschrieben und auf die Anomalie der thermodynamischen Gleichgewichtslage und der Konzentrationsgradienten der Kristallisationsreaktanten hingewiesen. Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, den funktionsbestimmenden partiellen Rekristallisationsprozeß von Multilayerisolationsstrukturen durch ein neues Wirkprinzip in der Weise zu beeinflussen, daß die Kristallksimbildung und das Kristallwachstum durch Einwirkung auf die Konzentrationsverhältnisse der Reaktanten in den Feinstpulvergrenzflächen gesichert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die analytisch homogenen Glas- und/oder Keimlingsphasen in den Feinstpulvergrenzflachen mit einer molekularen öberflächenbelegung mit wenigstens einem, die Ceisianphase aufbauenden, Metalloxid ganz oder teilweise bedeckt werden und daß die erforderliche resultierende Phase über den notwendigen Druckträger während des Dispergierungs- und Homogenisierungspro-

zesses an die Wirkungsgrenzflächenbezirke herangeführt wird. In Ausführung der erfinderischen Merkmale werden daher metallorganische Verbindungen eingesetzt, die erstens in den Lösungsmitteln bzw. Lösungsmittelgemischen ohne Beeinträchtigung der ebenfalls zu lösenden Harz- bzw. Polymerkomponenten löslich sind und zweitens in der Ausbrennzone des Sinteraggregates durch pyrolytische Reaktionsabläufe die gewünschten Metalloxide ergeben.

Die einzusetzenden metallorganischen Verbindungen sind bezüglich ihrer thermischen Eigenschaften so auszuwählen, daß sie nicht molekular flüchtig sind, sondern sich überwiegend nur durch die Abspaltung der organischen Reste (Zersetzung) und >-v unter Zurücklassung der raetalloxidischen Phase auszeichnen/ An die Höhen der aufzuwendenden Dissoziationsenthalpien werden keine zusätzlichen Anforderungen gestellt, da sie grundsätzlich in der Ausbrennzone quantitativ überschritten werden und somit eindeutige pyrolytische Reaktionsabläufe gewährleisten.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß bei dem Rekristallisationssystem Celsian die Komponenten Al₂O₃ und SiO₂ variabel zu gestalten sind, um die möglichen Freiheitsgrade für optimale Keimbildungsparameter zu erhalten.

In dem Druckträgergemisch werden zusätzlich die folgenden Substanzen gelöst:

1. Herstellung von Al₂O-,: Trialkoxialuminiumverbindungen

Q 2 Al (OR)₃ ~ » ^A12°3 -^{+ 3} * ^{R + 3} * ^{0R oder}

2 Al (R)(OR)₂ — -» Al₂O₃ + 5 . R + . OR.

2. Zur Herstellung von SiO₂: Tetraalkoxisilan- oder

: Alkylalkoxiverbindungsn des "Si

Si (OR)₄ » ^Si02 ^{+ 2} * ^{R + 2} * ^{0R/ ocier}

: Si (R)(OR)₃ -» SiO₂ + 3.R+ . OR, oder

Si (R)₂(OR)₂ * SiO₂ + 4 . R

Das Symbol R steht für beliebige und zweckmäßige organische Reste, vorzugsweise für Alkangruppen.

Die Verbindungen mit der . OR- und . R-Symbolisierung kennzeichnen die abgespaltenen Radikalstrukturen, die analog zu den Druckträgerharzen bzw.-polymeren pyrolytisch verbrannt werden, wenn eine oxidative Ofenfahrweise angewendet wird.

Während die herkömmlichen Druckträger nur als Hilfsmaterial, zur Durchführung des Siebdruckes und zur Fixierung der Schichten am Substrat, eingesetzt werden, finden die erfindungsgemäßen Druckträger zum Teil Eingang in den gesinterten Schichtaufbau, wodurch sie auch den Charakter eines Grundmaterials annehmen· In bezug auf die Schichtzusammensetzung und der vorangegangenen Wirkung während des Sinterprozesses können die letztgenannten als "aktive" Druckträger bezeichnet werden, die sich dann auch definitionsgemäß von den herkömmlichen "passiven" Druckträgern unterscheiden.

Ausführungsbeispiel

Die nachfolgend genannten Beispiele beziehen sich auf ein MuI-tilayerisolationspasten-Feinstpulver mit einer durchschnitt-

2 — 1 liehen 3ET-0berflache von 2,5 mg ". Hieraus lassen sich unter , Einbeziehung ..jnat hema tisch er .Ye.Cf Φ ΓΑ^π die Qte?^r,tⁿ_,y,nd _:,_;upt e.ren, Grenzkonzentrationen von in den Druckträger einzuarbeitenden Kristallisationsreaktanten ermitteln.

.Aktiver Druckträger rait "Al-Q "

Max. Min.

Lösungsmittel 83,5 Gevt.-% 95,0 Gew.-*/

/Q

Ethylcellulöse 3,0 Gew.-% 3,5Gavj.-%

Triisopropoxi-Al 13,5 Gew.-% 1,5 Gew.-%

Aktiver Druckträger mit "SiO₂"

Max. Min.

Lösungsmittel 76,4 Gew.-^ 94,2 Gevu-%

Ethylcellulöse 3,0 Gew.-% 3,5 Gew.-^

Tetraethoxi-Al 20,5 Gew.-% 2,5 Gevu-%

Als Lösungsmittel werden Terpineole und Alkanols verwendet und anstelle von Ethylcellulöse können auch ändere Polymere eingesetzt werden.

Beispiel 1:

Zur Herstellung eines ΑΙ^Ο-,-aktiven Druckträgers werden verwendet:

92,0% Lösungsmittel (Terpineol, Alkanol)

3,5% Ethylcellulöse N 300 (Hercules) 4,5% Al (C₃H₇O)₃-I

Dieser Druckträger wird mit dem MI-Feinstpulver im Verhältnis 30 zu 70 dispergiert und auf einem Dreiwalzenstuhl homogenisiert

Beispiel 2:

Zur Herstellung eines SiO₂-aktiven Druckträgers werden verwendet :

90,0 % Lösungsmittel (Terpineol, Alkanol) 3,5 % Ethylcellulose N 300 (Hercules)

,6,5 % Si (C₂H₅O)₄

Dieser Druckträger wird mit dem MI-Feinstpulver im Verhältnis 30 zu 70 dispergiert und auf einem Dreiwalzenstuhl homogenisiert

( V Beispiel 3:

Zur Herstellung eines Al₂O₃- und SiO₂-aktiven Druckträgers werden verwendet:

89,0 % Lösungsmittel (Terpineol/ Alkanol)

3,5 % Ethylcellulose N 300 (Hercules)

3,0 % Al (C₃H₇O)₃-I

4,5 % Si (C₂Hg)₄

Dieser Druckträger wird mit dem MI-Feinstpulver im Verhältnis 30 zu 70 dispergiert und auf einem Dreiwalzenstuhl homogenisiert.

Die Weiterverarbeitung der beispielsweise genannten Mischungen erfolgt nach den üblichen Pastenverarbeitungstechnologien f^\ zur Herstellung von Multilayerisolationsstrukturen. Die für den Siebdruckprozeß notwendige Einstellung der dynamischen Viskosität wird durch die Zugabe eines höhermolekularen Alkohols, z.3. von Terpineol, vorgenommen.

Während des Ausbrennprozesses in einem Sinterdurchlaufofen Wird die gesamte organische Phase aus dem Schichtverband durch pyrolytische Verbrennungen entfernt. In dieser Zone bilden sich auch die oxidischen Phasen der Rekristallisationsadditive.

In der Sinterzone, z.B. bei 850 ⁰C mit 10 min. Haltezeit, tritt die Kristallisation der Celsianstruktur in der Glasmatrix auf. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, Multilayerisolationsstrukturen zwei Mal zu drucken, jedoch einzeln zu trocknen und simultan zu sintern.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden über den Druckträger diejenigen Metalloxide auf die Feinstpulveroberflächen übertragen, die eine Celsiankeimbildung mit einem anschließenden Kristallwachstum bedingen. Dieser Prozeß kann über die Additivkonzentration in weiten Grenzen beeinflußt werden.

Diese technische Lösung eines bisher weitgehend unerforschten Zustandes schafft reproduzierbare schichtelektronische Verhältnisse beim Multilayeraufbau, ohne daß hierzu höhere Aufwendungen zu vermerken sind.

Claims (2)

Patentanspruch

1. Verfahren zur Herstellung von Multilayerisolationsstrukturen für die Dickschichtelektronik, die aus Feinstglaspulvern nach dem Vitroceram- und/oder Compositprinzip und organischen Druckträgern aufbereitet werden und während des Sinterprozesses in der Glasschmelze zu der Bariumalumosilikatphase Celsian partiell rekristallisieren, dadurch gekennzeichnet, daß zum definierten Rekristallisationsverhalten über den Druckträger molekular gelöste Verbindungen des Aluminiums und/oder Siliziums auf die Grenzflächen der Feinstpulver übertragen und während des Sinterprozesses in die reaktive oxidische Form überführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß in Druckträgern, bestehend aus Lösungsmitteln und organischen Polymeren, zusätzlich zu den einzudispergierenden Glasfeinstpulvern Alkoxi- und/oder Alkoxi/Alkanverbindungen des Aluminiums und/oder Siliziums gelöst und während des Sintervorganges entsprechend

2 Al(OR) — -* Al₂O₃ + 3 . R + 3 . OR, oder

2 Al(R)(OR)₂- ——* Al₂O₃ + 5 . R +- . OR

beziehungsweise

Si (OR)₄ < * SiO₂ + 2 „ R + 2 . OR, oder

Si (R)(OR)₃ ——* SiO₂ + 3 . R + . OR, oder

Si (R)₂(OR)₂ --—* SiO₂ + 4 . R

zur pyrolytischen Primärreaktion gebracht und als Rekristal-

lisationsreaktanten genutzt werden.