DD225126B1 - Verfahren zur herstellung von multilayerisolationsstrukturen fuer die dickschichtelektronik - Google Patents

Description

2 AI(OR)₃ -> AI₂O₃ + 3 R + 3 · OR, oder

2 AI(R)(OR)₂ -> AI₂O₃ + 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 Rekristallisationsreaktanten genutzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als aktiver Druckträger mit ,,AI₂O₃"

Max. Min.

Lösungsmittel 83,5Gew.-% 95,0Gew.-%

Ethylcellulose 3,0Gew.-% 3,5Gew.-%

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

eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als aktiver Druckträger mit ,,SiO₂"

Max. Min.

Lösungsmittel 76,4Gew.-% 94,2Gew.-%

Ethylcellulose 3,0Gew.-% 3,5Gew.-%

Triethoxi-Al 20,6Gew.-% 2,5Gew.-%

eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise Trialkoxiverbindungen des Aluminiums, wie Triisopropoxialan, eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise Alkoxi — beziehungsweise Alkylalkoxiverbindungen des Siliziums, wie Tetrabutoxisilan, eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als aktiver Druckträger Mischungen gemäß Anspruch 5 und 6 eingesetzt werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

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

Dickschichtmultilayerschaltungen werden vorrangig als Systemträger fur hoher 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 der kommerziellen Technik, in der Medizintechnik und in der Militär- und Weltraumtechnik gegeben.

Charakteristik der 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 funktionellen Bestandteilen, Glasbindemitteln und Druckträgern bestehen.

Multilayerisolationsstrukturen werden aus Pastensystemen hergestellt, deren Feststoffanteil meist aus reinen Glasphasen besteht und in der Sinterzone des Einbrenndurchlaufofens zum Teil rekristallisiert. Diese Rekristallisationsschichten weisen

derartige stabile thermodynamische Eigenschaften auf, daß sie mehrmals das gleiche Sinterregime ohne wesentliche Störungen des Schichtaufbaus durchlaufen können Hierdurch wird der iterative Sinterbetneb ermöglicht, der die Komposition des Multilayeraufbaus von alternativ angeordneten Leit- und Isolationsschichten zulaßt Durch geeignete Fensterstruktunerungen der Isolationsschichten lassen sich 2 bis 10 Leiterstrukturen übereinander in der Art realisieren, daß sich durch eine abschließende Hybridisierung hochintegrierte Schaltungen herstellen lassen Die Einbeziehung von ebenfalls siebgedruckten Widerstanden ist möglich und laßt u a die Durchfuhrung eines Funktionsabgleiches mit einem YAG-Laser zu Zur Hybridisierung eignen sich die folgenden Bauelemente Konventionelle Chips, Flip-Chips, Beam-leads, Miniaturpackages und nackte IC usw Bei Multilayerisolationspasten werden zwei Wirkungsprinzipien bezüglich des Kristallisationsmechanismus unterschieden

1 Das Vitrocerampnnzip ist gekennzeichnet durch die Verwendung einer zu Feinstpulver aufgemahlenen Glasfritte, die bereits alle fur die Kristallisation notwendigen Reaktanten enthalt

2 DasCompositprmzip ist gekennzeichnet durch die Verwendung einer zu Feinstpulver aufgemahlenen Glasfritte, der als Composit eine fur 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 Sinterprozeß der beiden Isolationsschichten erfolgt simultan bei dem Brennprof il, welches auch zur Realisierung der Leiterbahn- und Widerstandsstrukturen angewendet wird, ζ B im 60-Minuten-Zyklus mit 10 Minuten Haltezeit bei 850⁰C ± 1 K

Als Prototyp fur die rekristallisierende Phase in einer Glasmatnx ist die monokline Celsianbildung anzusehen Hierbei handelt es sich um die kristalline Ausbildung eines Bariumalumosilikatsystems nach BaO-AI₂O₃-2SiO₂ Die analytische Zusammensetzung kommerzieller Multilayensolationspasten nach dem Celsianprinzip liegt in folgenden Grenzen

25-35Gew-%SiO₂

3-6 G ew -⁰AB₂O₃

8-16 Gew-% AI₂O₃

4-8Gew-%CaO

0~4Gew -% MgO

6-12 Gew-% ZnO 20-30Gew-%BaO

Im allgemeinen werden die gedruckten und getrockneten Multilayensolationspasten (Ml Pasten) einem definierten Brennprofil in einem Durchlaufsinterofen unterzogen Hauptsächlich wird das 60-Minuten-Profil mit 10 Minuten Haltezeit bei 85O⁰C ± 1 K angewendet Vor der Sinterzone werden die zu sinternden Strukturen durch die Ausbrennzone gefuhrt, in der die gesamte organische Phase (Drucktragerharze bzw Polymere) durch pyrolytische Verbrennungen quantitativ entfernt wird Bei der Anwendung einer inerten Brandfuhrung (Stickstoff) muß die organische Phase über pyrolytische Fugazitaten, d h ohne Verbrennungsprozesse, quantitativ ausgetrieben werden Keinesfalls dürfen sich Kohlenstofftrager bei beginnender Sinterung in den Porenraumen befinden, da Kohlenstoffausscheidungen (Nont, Glanzkohlenstoff) den geforderten Isolationswiderstand von 10¹² Ohm (bei einer Schichtdicke von 40/xm und 1 cm⁵ Grund- und Deckelektrode) nicht gewahrleisten Wahrend der Haltezeit bei der Sintertemperatur sollen die thermodynamischen Zustande eingestellt werden, welche die Celsiankristallisation (monokl ) erwarten lassen Da dieser Prozeß intermediär an die Keimbildungsarbeitenn mit anschließenden Wachstumsgradienten gebunden ist, gelten auch die typischen Fakten der Keimbildungsverzogerung oder des Ausbleibens der funktionell geforderten Kristallisation

Um dieses Fehlverhalten möglichst ausschließen zu können, ist wenigestens ein Pastenproduzent dazu übergegangen, dem Feinstpulverversatz nach dem Vitroceram- und/oder Compositpnnzip Celsiankeime in Feinstpulverform zuzusetzen Gemäß DE-OS 2 655 085 können partiell rekristallisierenden Glasern auch Kristalikeimbiidner vom Typ ZrO₂ und TiO₂ zugesetzt werden Em ahnIiches Verhalten wurde im GB-PS 1 416 981 durch die Einbeziehung dieser „Trubungsoxide" in der Summe 5-15Gew-%und in der DE-OS 2 714 220 durch die Einbeziehung kristalliner ternarer Oxide in der Summe von 10-35Gew -⁰O beschrieben

Um das Problem der iterativen thermischen Beständigkeit, des hohen Isolationswiderstandes und einer hohen Durchschlagfestigkeit (Stehspannungsprufung) zu meistern, wurde weiterhin in der DE-OS 2 445 140 vorgeschlagen, daß die Ml-Schichtanordnung aus zwei Schichten aufgebaut wird Die erste Schicht soll aus einem Borsilikatgas (>5Gew -% B₂O₃, >55Gew -% SiO₂) und die zweite Schicht aus einer Glaskeramik mit >20Gew % Knstallanteil bestehen Allen bekannten Multilayensolationspasten, aus denen die Ml-Strukturen durch einen Sinterprozeß erzeugt werden, ist gemeinsam, daß analytisch homogene Feinstpulver eingesetzt werden Bei den Vitroceramglasern ist diese Eigenschaft klar ersichtlich, auch wenn als zweite analytisch homogene Phase Feinstkeimbildneroxide eingesetzt werden Compositglaser bestehen ebenfalls aus zwei oder mehreren analytisch homogenen Phasen Die partiellen thermodynamischen Kristallisolationsbedingungen müssen sich unter dem Sintertemperatureinfluß zwischen diesen Phasen ausbilden Von Schiller, Horte und Wiegmann (Wiss Beitrage der FS-Universitat Jena, 1981, S 45) wurde u a Angaben zum Rekristallisationstyp von Glasern gemacht und speziell auf das Celsianproblem eingegangen Demnach handelt es sich bei dem System BaO-AI₂O₃-SiO₂ um Glaser mit Oberflachenkeimbildung und einem Wachstumsvektor zum Inneren der sich bildenden Celsianprimarteilchen Fur diesen Typ wurde mitgeteilt, daß sich zunächst nicht die thermodynamisch stabile Celsianphase ausbildet, sondern diejenigen Mikrobezirke, die durch besondere Konzentrationsverhaltnisse an BaO, AI₂O₃ und SiO₂ gekennzeichnet sind Das technologisch schwer beherrschbare Multilayensolationsproblem 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 Konzentrationsverhaltnisse an BaO, AI₂O₃ und SiO₂ in den Grenzflachen so zu beeinflussen, daß sich reproduzierbare und gleichzeitig physikalisch optimale Ml-Strukturen nach dem Sinterprozeß ergeben

Auch aus ökonomischer Sicht ist die Wertigkeit von Multilayensolationspasten 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 dann, die dem beschriebenen Stand der Technik anhaftenden Nachteile zu beseitigen Der partielle Reknstailisationsmechamsmus von Multilayensolationsglasern soll durch ein neues Wirkpnnzip von den technologischen Unsicherheiten befreit und über eine geeignete Regelgroße beeinflußbar gemacht werden Gleichzeitig soll ein technisch-ökonomischer Mehraufwand vermieden und die materielle Produktionsdurchfuhrung gesichert werden

Darlegung des Wesens der Erfindung

Das mangelhafte Verhalten der bekannten technischen Losungen und einige Maßnahmen zur Minderung dieser Mangel wurden fur den Vitroceram-und Composittyp beschrieben und auf die Anomalie derthermodynamischen Gleichgewichtslage und der Konzentrationsgradienten der Knstallisationsreaktanten hingewiesen Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, den funktionsbestimmenden partiellen Reknstallisationsprozeß von Multilayerisolationsstrukturen durch ein neues Wirkprinzip in der Weise zu beeinflussen, daß die Kristallkeimbildung und das Kristallwachstum durch Einwirkung auf die Konzentrationsverhaltnisse der Reaktanten in den Feinstpulvergrenzflachen gesichert wird Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß die analytisch homogenen Glas- und/oder Keimlingsphasen in den Feinstpulvergrenzflachen mit einer molekularen Oberflachenbelegung mit wenigstens einem, die Celsianphase aufbauenden, Metalloxid ganz oder teilweise bedeckt werden und daß die erforderliche resultierende Phase über den notwendigen Drucktrager wahrend des Dispergierungs- und Homogenisierungsprozesses an die Wirkungsgrenzflachen bezirke herangeführt wird In Ausfuhrung der erfinderischen Merkmale werden daher metallorganische Verbindungen eingesetzt, die erstens in den Losungsmitteln bzw Losungsmittelgemischen ohne Beeinträchtigung der ebenfalls zu losenden Harz- bzw Polymerkomponenten loslich sind und zweitens in der Ausbrennzone des Sinteraggregates durch pyrolytische Reaktionsablaufe die gewünschten Metalloxide ergeben

Die einzusetzenden metallorganischen Verbindungen sind bezüglich ihrerthermischen Eigenschaften so auszuwählen, daß sie nicht molekular fluchtig sind, sondern sich überwiegend nur durch die Abspaltung der organischen Reste (Zersetzung) und unter Zurucklassung der metalloxidischen Phase auszeichnen An die Hohen der aufzuwendenden Dissoziationsenthalpien werden keine zusätzlichen Anforderungen gestellt, da sie grundsatzlich in der Ausbrennzone quantitativ überschritten werden und somit eindeutige pyrolytische Reaktionsablaufe gewährleisten

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß bei dem Reknstallisationssystem Celsian die Komponenten AI₂O₃ und SiO₂ vanabei zu gestalten sind, um die möglichen Freiheitsgrade fur optimale Keimbildungsparameter zu erhalten In dem Drucktragergemisch werden zusatzlich die folgenden Substanzen gelost

1 Herstellung von AI₂O₃ Trialkoxialuminiumverbindungen 2Al (OR)₃-^AI₂O₃ + 3 R + 3 OR oder

2Al (R)(OR)₂-^AI₂O₃ +5 R+ OR

2 Zur Herstellung von SiO₂ Tetraalkoxisilan- oder Alkylalkoxiverbindungen des Si 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

Das Symbol R steht fur beliebige und zweckmäßige organische Reste, vorzugsweise fur Alkangruppen Die Verbindungen mit der OR- und R-Symbolisierung kennzeichnen die abgespaltenen Radikaistrukturen, die analog zu den Drucktragerharzen bzw -polymeren pyrolytisch verbrannt werden, wenn eine oxidative Ofenfahrweise angewendet wird Wahrend die herkömmlichen Drucktrager nur als Hilfsmaterial, zur Durchfuhrung des Siebdruckes und zur Fixierung der Schichten am Substrat, eingesetzt werden, finden die erfindungsgemaßen Drucktrager zum Teil Eingang in den gesinterten Schichtaufbau, wodurch sie auch den Charakter eines Grundmaterial annehmen In bezug auf die Schichtzusammensetzung und der vorangegangenen Wirkung wahrend des Sinterprozesses können die letztgenannten als „aktive" Drucktrager bezeichnet werden, die sich dann auch definitionsgemaß von den herkömmlichen „passiven" Drucktragern unterscheiden

Ausfuhrungsbeispiele

Die nachfolgend genannten Beispiele beziehen sich auf ein Multilayerisolationspasten-Feinstpulver Mathematisch ist davon auszugehen, daß die durchschnittliche innere Oberflache, gemessen nach den BET-Verfahren, ca 2-3m²g"' betragt Zu diesem Parameter ist der Drucktrager so zu modifizieren, daß eine Belegung der Oberflachen mit 1 bis 4 pyrolytischen Oxiden aus der Gruppe ALX₃ und SiX₄ erfolgt

Hierbei vertritt X auserwahlte Verbindungen aus der Gruppe der Alkane beziehungsweise Alkanoxide Fur das erfindungsgemaße Beispiel wurden die Molekularvolumina des AI₂O₃ und SiO₂1 ns Verhältnis zu der о a BET-Oberf lache gesetzt Die im Ausfuhrungsbeispiel genannten Verbindungen sind auf dieser Grundlage zwischen den Grenzen Maximum und Minimum ermittelt worden

Die Konzentrationen dieser Substanzen können auch oberhalb und unterhalb des genannten Bereiches wirksam sein Die rechnerisch benotigten Daten sind aus den einschlagigen Tabellenbuchem zugänglich Aktiver Drucktrager mit ,,AI₂O₃"

Max Mm

Losungsmittel 83,5 Gew -% 95,0 Gew -%

Ethylcellulose 3,0 Gew-% 3,5 Gew-%

Tnisopropoxi-Al 13,5 Gew-% 1,5 Gew-%

Aktiver Drucktrager mit ,,SiO₂"

Max. Min.

Lösungsmittel 76,4Gew.-% 94,2Gew.-%

Ethylcellulose 3,0Gew.-% 3,5Gew.-%

Triethoxi-Al 20,6Gew.-% 2,5Gew.-%

Als Lösungsmittel werden Terpineole und Alkanole verwendet und anstelle von Ethylcellulose können auch andere Polymere eingesetzt werden.

Beispiel 1:

Zur Herstellung eines A^Gvaktiven Druckträgers werden verwendet:

92,0% Lösungsmittel (Terpineol, Alkanol) 3,5% Ethylcellulose N300 (Hercules) 4,5% Al (C₃H₇O)₃H

Dieser Druckträger wird mit dem Ml-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 N300 (Hercules) 6,5% Si (C₂H₅O)₄

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

Beispiel 3:

Zur Herstellung eines AI₂O₃- 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 (C₂H₅J₄

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

Die Weiterverarbeitung der beispielsweise genannten Mischungen erfolgt nach den üblichen Pastenverarbeitungstechnologien zur Herstellung von Multilayerisolationsstrukturen. Die für den Siebdruckprozeß notwendige Einstellung der dynamischen Viskosität wird durch die Zugabe eines höhermolekularen Alkohols, z. B. 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 850⁰C mit 10min 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 Feinstpulveroberfläche 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)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zur Herstellung von Multilayerisolationsstrukturen für die Dickschichttechnik, die aus Feinstglaspulvern nachdem 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. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Druckträgern, bestehend aus Lösungsmitteln und organischen Polymeren, zusätzlich zu den einzudispergierenden Glasfeinstpulvern Alkoxy- und/oder Alkoxi/Alkanverbindungen des Aluminiums und/oder Siliziums gelöst und während des Sintervorganges entsprechend