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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Lasertrimmen von Widerständen
und ein Bauteil mit getrimmten Widerständen.
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Kermamiksubstrate, insbesondere in
Form von flachen Multilayer-Keramiken aus Glaskeramik werden für mikroelektronische
Anwendungen vielfältig
eingesetzt. Bei diesen Keramiksubstraten ist üblicherweise die eine (obere)
Oberfläche
ganzflächig
oder bereichsweise (in Form von Komponenten und Anschlüsen) mit
einem dünnen
Metallbelag versehen und die andere (untere) Oberfläche mit
Widerständen
bedruckt. Um einen festgelegten Widerstandwert der Widerstände einzustellen,
ist es am einfachsten, und man kann damit auch Widerstandswerte
am genauesten einstellen, wenn die Widerstände nach dem Aufdrucken vorzugsweise
mit einem Laserstrahl gezielt getrimmt werden. Wenn auf das Substrat
alle erforderlichen Komponenten aufgebracht sind, wird das erzeugte
Bauteil von allen Seiten mit einer Passivierung versehen. Der dünne Metallbelag wird
bevorzugt nach dem Aufdrucken der Widerstände chemisch abgeschieden,
wozu es erforderlich ist, die Oberfläche mit sauren oder basischen
Bädern
zu aktivieren und dann das Metall galvanisch abzuscheiden. Es ist
jedoch so, dass bei diesen Behandlungen die Widerstände sich
ablösen,
sofern sie nicht durch eine Passivierungsschicht abgedeckt sind.
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Aus der
DE 196 09 118 A1 ist ein
Schaltungssubstrat bekannt, auf dem sich ein Widerstand befindet, der
von einer Passivierungsschicht bedeckt ist. Durch eine aufwendige
Materialauswahl für
Widerstand und Passivierungsschicht wird ein Lasertrimmen des Widerstands
ermöglicht.
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In der
DE 32 42 157 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung
eines Widerstands auf einem mit einer Passivierungsschicht überzogenen
Polymersubstrat beschrieben. Die Passivierungsschicht ist für ein Laserlicht transparent.
Der Widerstand wird durch Verkohlung des Polymersubstrats mit einem
Laserstrahl erzeugt. Ein Lasertrimmen des Widerstands ist nicht
vorgesehen.
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Bisher sind mindestens zwei Arten
von Passivierungsschichten bekannt. Bei einer ersten Alternative wird
ein Schutzlack, insbesondere aus PVC, vorzugsweise in Siebdrucktechnik
aufgebracht. Dieser Schutzlack stellt keine elektrische Isolation
bereit und bietet – da
er feuchtigkeitsdurchlässig
ist, keinen Migrationsschutz und keinen Korrosionsschutz, den beispielsweise
Silberkomponenten gegen den Angriff von Schwefelverbindungen benötigen. Der
Schutzlack muss also wieder entfernt werden, was andererseits wieder
vorteilhaft ist, da nach dem Entfernen des Lacks das Trimmen der
Widerstände
problemlos möglich
ist. Am Ende muss noch einmal eine Passivierungsschicht aufgebracht
werden.
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Bei der zweiten Alternative wird
auch ein Schutzlack, insbesondere ein 2K-Epoxidlack, vorzugsweise in
Siebdrucktechnik, aufgebracht. Dieser Lack hat Eigenschaften, denen
eine Passivierungsschicht genügen muss,
er bietet nämlich
Migrationsschutz und einen Schutz vor Korrosion. Allerdings ist
er wegen seiner Schichtdicke (> ewa
30 μm) schlecht
wärmeleitend,
die siebdrucktechnische Aufklösung
ist bei Topographieunterschieden auf der Keramik eingeschränkt, und
insbesondere lassen sich die Widerstände nicht oder fast nicht trimmen,
d.h. sie können
nach dem Aufbringen praktisch nicht mehr verändert werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung,
das Lasertrimmen eines Bauteils mit aufgebrachten, passivierten
Widerständen,
deren Widerstandswert definiert ist, und mit metallisierten Bereichen
mit verhältnismäßig geringem
Aufwand zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und
mit dem Bauteil des Anspruchs 11 gelöst.
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Beim Lasertrimmen werden Bereich
der Widerstände
vollständig
entfernt, Die dabei entwickelte Wärme zerstört die Passivierungsschicht über dem
bestrahlten Bereich bzw. den Bereich durch den der Laserstrahl hindurchgeht.
Die nicht bestrahlten Bereiche der Widerstände und das Substrat zwischen
den Widerständen bleibt
nach wie vor von der Passivierungsschicht bedeckt und beschützt. Ein
Strippen der Passivierungsschicht und eine spätere Passivierung für den Schutz
der Widerstände
im Gebrauch erübrigt
sich deshalb. D.h. durch das Zusammenwirken des erfindungsgemäßen Keramiksubstrats
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
läßt sich
das schlußendlich
erforderliche Passivieren vorziehen, wodurch sich die Anzahl der
erforderlichen Verfahrensschritte klein halten läßt, ohne daß es nötig ist, auf das vorteilhafte
Trimmen zur Widerstandswerteinstellung zu verzichten.
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Die Materialien, aus denen die Passivierungsschicht
im Wesentlichen besteht, sind bevorzugt organische Polymere und
anorganisch-organische Polymere. Der Ausdruck "im Wesentlichen aus ... besteht", bedeutet in diesem
Zusammenhang, dass die Passivierungsschicht andere Materialien nur
in einer solchen Menge enthalten kann, dass noch eine ausreichende
Transparenz gegeben ist, um ein Lasertrimmen durch die Passivierungsschicht
hindurch zu ermöglichen.
Als organische Polymere kommen insbesondere Materialien aus der
Gruppe Polyimide, Polyethylenterephthalate und Polysulfone und als
anorganisch-organische Polymere, insbesondere solche, wie Ormocere® (Produkte,
welche unter diesem Handelsnamen von der Frauenhofer-Gesellschaft
angeboten werden), in Frage, welche durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozess
erzeugt worden sind. Die genannten organischen Polymeren zeigen
in vorteilhafter Weise alle eine ausreichende Haftung auf dem Substrat,
eine ausreichende Isolationsfähigkeit
und, bei den Polyimiden wenigstens die Polyetherimide, die notwendige
Transparenz. Fast alle weisen eine hohe Festigkeit und/oder Kratzfestigkeit
auf, sind auch bei Temperaturen > 150°C beständig und
chemisch resistent. Ihre Herstellung ist einfach und mindestens ein
Teil von ihnen kann in photoempfindlicher Form bereitgestellt werden.
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Die Ormocere® isolieren
hervorragend und sind kratzfest, weshalb Schichtdicken zwischen
etwa 2 und etwa 25 μm,
bevorzugt zwischen etwa 3 und etwa 5 μm, ausreichen. Aufgrund der
geringen Dicke haben die Schichten senkrecht zur Unterlage eine
gute Wärmeleitfähigkeit
(jedoch parallel zur Unterlage eine schlechte Wärmeleitfähigkeit), und bieten trotzdem,
da sie sehr dicht sind und auf Keramikmaterialien sehr gut haften, einen
vollständigen
Schutz gegen Migration, chemische Angriffe in sauren und basischen
Medien und gegen Schwefelkorrosion an silberhaltigen Materialien.
Außerdem
sind sie auch > 150°C langzeittemperaturresistent, ihr
Auftrag ist sehr einfach und, sie können außerdem leicht in photoempfindlicher
Form bereitgestellt werden.
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Angesicht der Vielzahl der in Frage
kommenden Materialien ist es nicht erforderlich, daß abgesehen von
der guten Transparenz für
Laserlicht die in jedem Fall gegeben sein muss, alle Materialien
bezüglich
jeder der genannten Eigenschaften optimal sind, vielmehr dürfte sich
für jede
Anwendung ein Material mit der richtigen Mischung von Eigenschaften
für die
Passivierungsschicht finden lassen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Bauteils
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Unteransprüchen
aufgeführt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von durch Zeichnungen erläuterten
Ausführungsbeispielen detailliert
beschrieben. Es zeigen
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1 in
schematischer Querschnittsdarstellung ein Multilayer-Keramiksubstrat gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung mit auf der einen Oberfläche aufgebrachten Widerständen und
einer drüberliegenden Passivierungsschicht
und
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2 das
in der 1 gezeigte Keramiksubstrat
nachdem die nicht passivierten Substratbereiche metallisiert und
die Wider stände
erfindungsgemäß lasergetrimmt
worden sind.
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Im folgenden wird die Erfindung am
Beispiel von flachen Multilayer-Glaskeramiksubstraten beschrieben.
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Das in der 1 gezeigte Multilayer-Keramiksubstrat 1 weist – beispielhaft – drei Keramikschichten 2a bis 2c auf.
Zwischen den Schichten befinden sich – nicht gezeigte – Leiterzugebenen.
Auf die eine (untere) Oberfläche
sind Widerstände 3 aus
, Keramikpasten aufgedruckt und die ganze untere Oberflächenseite
ist mit einer Passierungsschicht 4 bedeckt. Die andere
(obere) Oberflächenseite
weist (wie abgebildet) keine oder nur bereichsweise eine Passivierungsschicht
auf. Die Leiterzugebenen sind durch die Keramikschichten 2a bis 2c hindurch
untereinander, mit den Widerständen
und mit gegebenenfalls noch auf die obere Oberfläche und/oder die untere Oberfläche aufzubringende
bzw. vorhandene Metallisierungsflächen elektrich verbunden.
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Die genannten, in der 2 mit der Bezugsnummer 5 bezeichneten
Metallisierungsflächen
dienen u.a. als Kontaktpunkte für
Komponenten, wie Halbleiterchips, die auf das Substrat aufgebracht
werden sollen, und als Wärmeverteiler
(Heat Spreader). Zu ihrer Herstellung, die nach dem Aufbringen der
Widerstände
erfolgt, müssen
entsprechende Bereiche des Substrats aktiviert und galvanisiert
werden. Dazu sind Behandlungen mit sauren oder basischen Aktivierungsbädern und
mit galvanischen Bädern
erforderlich. Die Widerstände müssen mit
der Passivierungsschicht abgedeckt sein, da sie sich sonst bei den
genannten Behandlungen ablösen.
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Die Widerstände müssen nicht nur während der
chemischen Behandlungen sondern auch – ebenso wie die übrigen Komponenten,
mit denen das Substrat bestückt
ist, im Gebrauch gegen Umwelteinflüsse, wie gegen Schwefelverbindungen,
geschützt
sein. Dazu ist erforderlich, daß die
Passivierung gut auf dem Substrat haftet, dass sie mechanisch resistent
und dass das Material, aus dem sie besteht, chemisch und bei den
Temperaturen, bei denen das Bauteil betrieben wird, thermisch beständig ist,
und dass die Passivierung gut elektrisch isoliert. Organische Polymere
aus der Gruppe Polyimide, Polyethylenterephthalate und Polysulfone
und anorganisch-organische Polymere, wie siliciumorganische Polymere,
insbesondere durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozess erzeugte
Materialien, beispielsweise Ormocere®, erfüllen die
o.g. Voraussetzungen zum mindesten befriedigend. Gute Isolatoren
sind sie alle. Die aus ihnen bestehenden Schichten sind einfach
herstellbar. Die Haftung der genannten anorganisch-organischen Polymeren
und von Polyimid auf der Keramik ist ausgezeichnet, die der anderen
organischen Polymeren zum mindesten ausreichend.
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Polyimide haben eine hohe Festigkeit,
sind gegenüber
verdünnten
Säuren
und Laugen beständig
und sind zwischen –240
und +370°C
einsetzbar. Unter den Polyimiden sind insbesondere auch die Polyetherimide günstig. Sie
haben eine hohe Festigkeit, sind chemisch beständig und sind auch bei Temperaturen
von 170°C noch
einsetzbar. Polysulfone sind hart, chemisch beständig und bei Temperaturen zwischen –100 und
+150 bis +180°C
thermisch beständig.
Polyethylenterephthalate sind hart, haben eine hohe chemische Beständigkeit,
und der Schmelzpunkt liegt bei 260°C.
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Am optimalsten sind als Schichtmaterialien
Ormocere
®.
Außer
den bereits genannten vorteilhaften Eigenschaften weisen sie Kratzfestigkeit
und hohe chemische Beständigkeit
auf. Es genügt
deshalb, sie mit geringer Schichtdicke (etwa 2 bis etwa 25 μm, bevorzugt
etwa 3 bis etwa 5 μm)
aufzutragen, und sie haben deshalb senkrecht zur Unterlage eine
gute thermische Leitfähigkeit.
Bei der Herstellung der Ormocere
® durch Sol-Gel-Reaktionen
organisch modifizierter Si-Alkoxide (R
xSi(OR)
y) wird in einem ersten Schritt das anorganische
Netzwerk aufgebaut:
Hydrolyse (+
H2O) → ≡Si-OH
Polykondensation → ≡Si-O-Si≡ (Kondensation
mit anderen Metalloxiden möglich).
In einemzweiten Schritt erfolgt der Aufbau des organischen Netzwerks:
(Vernetzungsreaktion von
Si-gebundenen Monomeren, die geschwungene Linie versinnbildlicht
das organische Netzwerk; X: Acryl, Vinyl, Epoxy usw.; die Härtung kann
thermisch, durch UV/IR-Licht oder redoxinitiiert erfolgen). Die
Anteile der Strukturelemente bestimmen die Werkstoffeigenschaften.
Die Steuerung der Eigenschaften erfolgt durch die Auswahl der Ausgangsmaterialien,
die Reaktionsführung
der anorganischen Polykondensationsreaktion, sowie die Kontrolle
der Verknüpfungsreaktionen,
die zum Aufbau des organischen Netzwerks führen. Einzelheiten stehen in
der Veröffentlichung
des Frauenhoferinstituts für
Silikatforschung "Abteilung
ORMOCERe, Gut kombiniert: Hybridpolymere für neue Anwendungen". Ormocere
® sind
auch bei Temperaturen > 150°C langzeittemperaturresistent.
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Die mit einer Passivierungsschicht
gemäß dem St.d.T.
bedeckten Widerstände überstehen
zwar die Behandlung des Substrats mit den chemisch/galvanischen
Bädern,
aber die Passivierungsschicht verhindert die nachträgliche Einstellung
eines festgelegten Widerstandswerts, weshalb entweder die Schicht
entfernt werden oder auf eine nachträgliche Einstellung der Widerstandswerte
verzichtet werden muss (s.o.).
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Erfindungsgemäß lassen sich die Widerstandwerte
durch Lasertrimmen einstellen, ohne daß die Passivierungsschicht
zuvor entfernt werden muss. Dies wird erreicht, indem die Passivierungsschichten
aus Materialien hergestellt werden, die für das zum Trimmen angewandte
Laserlicht transparent sind. Die o.g. Materialien, bei den Polyimiden
gehören
zum mindesten die Polyetherimide dazu, sind solche Materialien.
Wird ein Schichtbereich aus einem solchen Material über einem
Widerstandsbereich bestrahlt, der durch. das Trimmen entfernt werden
soll, passiert das Licht die Schicht und dringt in das Widerstandsmaterial
ein. Das Widerstandsmaterial erhitzt sich, und durch Wärmeleitung,
die umso besser ist, je dünner
die Passivierungsschicht ist, wird auch der bestrahlte Bereich der
Passivierungsschicht erhitzt und zersetzt bzw. verdampft und es
entsteht die in der 2 gezeigte
grabenförmige Öffnung 6 in
der Passivierungsschicht 4. Dadurch kann auch das verdampfte
Widerstandsmaterial im erhitzten Bereich entweichen, wodurch der
Graben 7 im Widerstandsmaterial entsteht (Der Widerstand
ist so ausgebildet und der Lasertrahl wird so geführt, dass
festgelegte Bereiche 8 vom Widerstand abgetrennt und dadurch der
im Stromkreis verbliebene Restwiderstand 9 den festgelegten
Widerstandswert annimmt).
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung werden die nicht die Widerstände bedeckenden Pasivierungsschichtbereiche
photolithographisch selektiv entfernt. Dies kann einerseits so erfolgen,
dass die Passivierungsschicht mit einer Photolackschicht bedeckt
und diese selektiv belichtet und entwickelt und schließlich die
freiliegenden Bereiche der Passivierungsschicht entfernt werden,
und andererseits so, dass dem Material, aus dem die Passivierungsschicht
besteht, durch chemische Veränderung
Photolackeigenschaften vermittelt werden. Unter einen Photolack
wird eine lichtempfindliche, filmbildende Substanz verstanden, deren
Löslichkeitsverhalten
sich durch Belichtung oder Bestrahlung ändert. Dabei werden positiv
und negativ arbeitende Photolacke unterschieden: erstere werden
durch photochemischen Abbau oder Umwandlung leichtlöslich, letztere
durch Vernetzung oder Photopolymerisation schwerlöslich (Römpps Chemie-Lexikon,
8. Aufl., Franckhsche Verlagshandlung, Stuttgart). Beispielsweise
lassen sich Ormocere® leicht so verändern, dass
sie Negativlackeigenschaften aufweisen. Bei einer Variante dieser
Ausführungsform
wird die gesamte Oberfläche
des Substrats mit dem passivierenden Material bedeckt und dann wird
sowohl auf der Unter-, als auch auf der Oberseite die Passivierungsschicht
selektiv photolithographisch entfernt. Dies hat zur Folge, dass beidseitig
lokal begrenzt, beispielsweise, vernickelte und vergoldete Metallisierungsflächen, wie
Montageflächen
für Bautelemente,
erzeugt werden können.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Produkte, ein Beispiel zeigt die 2, bestehen aus einem mindestens teilweise
mit einer Passivierungsschicht bedeckten Keramiksubstrat, vorzugsweise
einem Glaskeramiksubstrat, gegebenenfalls mit Multilayer-Struktur,
welches mit der Passivierungsschicht bedeckte, auf der Substratoberfläche aufgebrachte,
lasergetrimmte Widerstände
aufweist und in den nicht von der Passivierungsschicht bedeckten
Substratbereichen metallisiert ist.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand
eines speziellen Beispiels noch deutlicher veranschaulicht werden.
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Auf die untere Oberfläche eines
flachen Multilayer-Glaskeramiksubstrat wurden Widerstände gedruckt und
die so bestückte
Oberfläche
wurde durch Sprühauftrag
mit einer niederviskosen Flüssigkeit
eines Ormocers® benetzt
(Durch das Aufsprühen
lassen sich zwischen etwa 3 und etwa 5 μm dicke ausgehärtete Schichten
erzeugen. Für
den Fall, daß zur
Erzielung einer besonders guten Wärmeleitfähigkeit die Ormocer®-Schicht besonders
dünn gemacht
werden soll (Größenordnung
2 um Dicke) kann der Flüssigkeitsfilm
nach dem Aufsprühen
noch zusätzlich
geschleudert werden). Anschließend
wurde bei moderaten Temperaturen (< etwa 200°C) ausgehärtet. Das
Substrat wurde anschließend
einem aktivierenden Bad ausgesetzt und dann wurde auf die obere
Oberfläche
galvanisch Metall aufgebracht. Dabei wurden die Widerstände nicht
beschädigt.
Es folgte dann das Lasertrimmen der Widerstände. Es wurde ein YAG-Laser
verwendet, der Licht der Wellenlänge 1064
nm ausstrahlt, und dessen Leistung bei etwa 1,6 W lag. Der Laserstrahl
war etwa 30 bis etwa 50 μm
breit. Mit dem Laserstrahl wurden, wie 2 zeigt, ein durchgehender Graben 6 in
der Ormocer®schicht
und – damit fluchtend – ein durchgehender
Graben 7 in den Widerständen
erzeugt. Die Gräben
waren etwa gleich breit und die Ormocer®schicht
war an den Grabenrändern
unbeschädigt
u. haftete unverändert,
d.h. die Widerstände blieben – außer den
Wänden
des Grabens 7 – passiviert.
