DE102004030800A1 - Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte - Google Patents

Abstract

Auf einem keramischen Substrat, welches auf seiner Oberseite lötbare Anschlussflächen und auf seiner Unterseite lötfähige Kontakte aufweist, werden die bislang mittels aufgedruckter Pasten hergestellten lötbaren Anschlussflächen durch direkt auf der Keramik aufgebrachte aus der Lösung abgeschiedene Lötflächenkontakte ersetzt. Diese zeichnen sich durch eine ebenere Oberfläche, eine bessere Bondbarkeit und eine bessere Strukturierbarkeit aus.

Description

• Als Substrat für Module und als Systemträger für ganze Schaltungsarchitekturen werden neuerdings keramische Substrate eingesetzt, die die Kunststoffleiterplatten ersetzen. Die keramischen Substrate haben den Vorteil, dass sie mechanisch stabil sind, mittels mikromechanischer Strukturierungstechniken hergestellt und auch mit ungehäusten Bauelementen bestückt werden können. Darüber hinaus sind keramische Mehrschichtsubstrate bekannt, bei denen zwischen dielektrischen keramischen Schichten Metallisierungsebenen vorgesehen sind, in denen durch Strukturierung passive Komponenten und Verschaltungsstrukturen realisiert werden können. Außerdem sind Verfahren bekannt, um keramische Modul- oder Systemträger mitsamt der darauf aufgebrachten Bauelemente hermetisch zu verkapseln. Aufgrund der hohen Dichtigkeit der keramischen Substrate weisen solche verkapselten Module eine hohe Dichtigkeit gegenüber Gasen und Feuchtigkeit auf.
• Das Aufbringen von Bauelementen auf keramischen Substraten kann mittels unterschiedlicher Verbindungstechniken erfolgen. Bekannt sind beispielsweise SMD-Verfahren, Flip-Chip-Anordnungen und Drahtbond-Techniken. Die beiden letzten Verfahren sind auch mit ungehäusten Bauelementen, sogenannten bare dies durchführbar. In beiden Fällen ist es dabei erforderlich, bondbare metallische Oberflächen auf dem keramischen Substrat zur Verfügung zu stellen. Für die Bestückung der keramischen Substrate mit den Bauelementen in Hochgeschwindigkeitsautomaten innerhalb einer Fertigungsstraße werden hohe Anforderungen an die Ebenheit der Bondflächen gestellt. Als Problem tritt dabei auf, dass die für keramische Substrate bislang eingesetzten Bondflächen diesen Anforderungen nicht genügen. Bislang wurden Bondflächen mittels Siebdrucktechniken von metallhaltigen Pasten und Einbrennen dieser Pasten erzeugt, was zu raue Oberflächen liefert. Zusammen mit dem keramischen Anteil dieser aufgedruckten Bondflächen wird so die Haftfestigkeit von Bonddrähten oder darauf aufgebondeter Bumps reduziert. Dies hat zur Folge, dass entweder die Bestückungsgeschwindigkeit zu reduzieren ist oder Abstriche bezüglich der Haltbarkeit zu hergestellter Bondverbindung in Kauf genommen werden müssen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen keramischer Leiterplatten anzugeben, welches bezüglich der genannten Probleme verbessert ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• Die Erfindung schlägt vor, zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte vom bisher eingesetzten Aufdrucken von metallhaltigen Pasten abzusehen und die Metallisierung für die Bondflächen direkt aus einer Lösung auf dem keramischen Substrat abzuscheiden.
• Auf diese Weise gelingt es, eine sehr gut leitende, gut haftende und außerdem gut bondbare Oberfläche herzustellen. Darüber hinaus ist die Rauigkeit so hergestellter lötbarer Anschlussflächen gegenüber den bekannten reduziert. Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass mit Hilfe der direkten Metallabscheidung feinere Metallstrukturen auf dem keramischen Substrat erzeugt werden können, so dass neben den Bondflächen gleichzeitig auch dünne und beliebig strukturierte Leiterfah nen mit erzeugt werden können. Das Verfahren lässt sich voll integriert und hoch automatisiert durchführen und erfordert gegenüber dem Aufdrucken von Leiterbahnen keine längeren Verfahrenszeiten.
• Das Verfahren ist insbesondere zum Herstellen lötbarer Anschlussflächen auf der Oberseite von LTCC-Paneelen geeignet, die innerhalb der mehrschichtigen LTCC-Keramik integrierte Verschaltungsstrukturen und passive Komponenten enthalten können. Mit dem Verfahren können Anschlussflächen erhalten werden, deren Oberflächenrauigkeit gegenüber der LTCC-Oberfläche reduziert ist. Doch ist die Erfindung auch bei allen anderen ein- oder mehrschichtigen keramischen Substraten unterschiedlicher Keramiksysteme anwendbar, z.B. bei HTCC.
• Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Metallisierung mittels einer photolithographischen Technik zu den lötbaren Anschlussflächen zu strukturieren. Diese Technik ist besonders exakt durchzuführen und ermöglicht die Herstellung feinster Leiterbahnstrukturen. Außerdem können durch photolithographische Methoden auch geringe Abstände gegeneinander zu isolierender metallischer Strukturen sicher eingehalten werden, ohne dass die Gefahr von Kurzschlüssen zu befürchten ist. Dadurch ist es möglich, den Flächenbedarf für Metallisierungen zu optimieren und zu minimieren. Auf diese Weise kann auch die Größe der Bauelemente, beziehungsweise die der auf dem keramischen Substrat aufgebauten Module und Systeme reduziert werden.
• Als weiterer Vorteil des photolithographischen Strukturierens ergibt sich, dass damit erzeugte Metallisierungsstrukturen eine definierte Querschnittsform aufweisen, da sie gegenüber aufgedruckten Metallisierungen definierte Kantenwinkel und eine vor allem plane und damit gut bondbare Oberfläche aufweisen.
• Das Erzeugen der Metallisierung kann in mehreren Schritten erfolgen. Z. B. wird zunächst ganzflächig eine Grundmetallisierung direkt auf dem Substrat aufgebracht. Im nächsten Schritt kann die Grundmetallisierung bereits strukturiert werden, wobei vorzugsweise die genannte Photolithographie eingesetzt wird. Möglich ist es natürlich auch, die Strukturierung direkt durchzuführen, beispielsweise durch Abtragen mittels eines Lasers, durch mechanisches Abtragen oder durch Aufbringen einer Ätzmaske mittels eines Druckverfahrens. In den genannten Fällen wird die Grundmetallisierung an den nicht für die Anschlussflächen und gegebenenfalls auch Leiterbahnen vorgesehenen Stellen entfernt. Anschließend wird auf der strukturierten Grundmetallisierung eine Verstärkungsschicht abgeschieden, die abschließend noch mit einer bondbaren Oberfläche durch Abscheiden einer bondbaren Schicht abgeschlossen werden kann. Sämtliche Metallabscheidungen erfolgen aus metallhaltigen Lösungen und können stromlos oder galvanisch durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt für die Grundmetallisierung zunächst eine stromlose Abscheidung eines gut haftenden und homogen abscheidbaren Metalls, beispielsweise eine stromlose Abscheidung einer Kupferschicht. Ist dann eine durchgehende Metallschicht erzeugt, kann diese galvanisch verstärkt werden, beispielsweise ebenfalls mittels Kupfer.
• Wenn auf diese Weise eine Grundmetallisierung in einer strukturierbaren Schichtdicke erzeugt ist, erfolgt die Strukturierung der Grundmetallisierung. Man erhält dabei die gewünschte Metallisierungsstruktur, die die gewünschten lötbaren Anschlussflächen und sonstigen leitfähigen Strukturen umfasst und die in weiteren Schritten selektiv weiter verstärkt werden kann. Dies kann durch stromlose Verfahren erfolgen, die zur Metallabscheidung selektiv an bereits metallisierten Oberflächen geeignet sind.
• Möglich ist es jedoch auch, in einem ersten Verfahrensschritt zunächst eine geschlossene Metallschicht einer relativ dünnen Grundmetallisierung zu erzeugen und anschließend darüber eine Negativmaske der gewünschten späteren Metallisierung aufzubringen. Dies ist vorzugsweise ebenfalls eine photolithographisch erzeugte Maske, die in einer Dicke aufgebracht wird, die der gewünschten gesamten Metallisierungshöhe entspricht. Nach dem Strukturieren der Maske, z.B. einer Photolackmaske liegen die für die Strukturierung vorgesehenen Bereiche der Grundmetallisierung frei und können stromlos oder galvanisch bis zur gewünschten Schichtdicke verstärkt werden.
• Anschließend wird die Maske ebenso wie die darunter liegenden Bereiche der Grundmetallisierung entfernt. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, dass die Metallisierungen mit einem beliebig steilen Kantenwinkel erzeugt werden können. Begrenzend ist dabei nur der Kantenwinkel, mit dem die Maske erzeugt werden kann. Der Kantenwinkel ist dann nicht mehr von der Anisotropie des Ätzverfahrens bei der Strukturierung der durchgehenden Grundmetallisierung abhängig und erzeugt auch keinerlei Unterätzungen oder schräg auslaufende Kanten. Bei dieser Variante ist es lediglich erforderlich, im letzten Schritt nach dem Entfernen der Lackmaske eine korrosionsbeständige und bondbare Oberfläche zur Verfügung zu stellen, was durch nachträgliches Aufbringen entsprechender Metallschichten auf die bereits strukturierte Metallisierung erfolgen kann.
• Über einer Grundmetallisierung aus Kupfer eignet sich als Verstärkungsschicht insbesondere eine Nickelschicht, die stromlos und selektiv über der Kupferschicht abgeschieden werden kann.
• Zur weiteren Verstärkung kann über der Nickelschicht eine Palladiumschicht ebenfalls stromlos und selektiv über der Nickelschicht abgeschieden werden. Die bondbare Oberfläche wiederum wird durch chemisches Abscheiden der genannten Palladiumschicht und durch darauf Abscheiden einer relativ dünnen Goldschicht erzeugt. Die Goldschicht ist chemisch innert und stellt eine bondbare Oberfläche zur Verfügung.
• In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird das keramische Substrat und insbesondere das LTCC-Paneel vor dem Erzeugen der Metallisierung gereinigt, wozu beispielsweise eine Sandstrahlreinigung eingesetzt werden kann.
• Vor dem ersten stromlosen Abscheiden einer Metallisierung ist eine chemische Aktivierung der Oberfläche erforderlich, um überhaupt erst ein stromloses Abscheiden möglich zu machen. Dies kann mit einer bekannten und beispielsweise palladiumhaltigen Aktivierungslösung erfolgen.
• Zum Strukturieren der Grundmetallisierung insbesondere zum Strukturieren einer als Grundmetallisierung eingesetzten Kupferschicht kann vorteilhaft eine Eisen(III)-ionenhaltige Lösung eingesetzt werden, beispielsweise eine Eisen(III)chloridhaltige Lösung auf wässriger Basis. Dies führt zu einer im wesentlichen isotropen Ätzung der Grundmetallisierung, wobei durch die Strukturierung Kantenwinkel erhalten werden, die schlechtestenfalls 45 Grad betragen. Durch geeignete Technik und insbesondere eine gerichtete Ätzlösungsführung ist es möglich, noch steilere Kantenwinkel beim Ätzen der Grundmetallisierung zu erhalten. Die weiteren galvanischen oder stromlosen Abscheideprozesse führen zu einer konformen Metallabscheidung, bei der vorhandene Strukturen und Winkel gleichmäßig aufgedickt werden. Dabei bleiben Kantenwinkel ebenso wie die flachen Oberseiten der Metallisierungen erhalten.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
• 1 bis 5 zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung von lötfähigen Anschlussflächen anhand schematischer Schnitte durch das Substrat und die Metallisierungen
• 6 bis 9 zeigen verschiedene Verfahrensstufen einer zweiten Variante der Herstellung
• 10 zeigt ein keramisches Substrat mit einem darauf gebondeten Bauelement.
• 1 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts ein keramisches Substrat, von dem hier zwei keramische Schichten KS1, KS2 dargestellt sind. Die elektrische Verbindung von der Oberseite des Substrats zur Unterseite erfolgt über Durchkontaktierungen DK1, DK2, wobei zwischen den Keramikschichten KS eine Metallisierungsebene ME ausgebildet ist, die zu Leiterbahnen oder Schaltungsstrukturen oder Schaltungselementen strukturiert sein kann. An der Unterseite des Substrats ste hen lötfähige Kontakte zur Verfügung. Möglich ist es jedoch auch, die lötfähigen Kontakte LK zusammen mit den lötbaren Anschlussflächen im gleichen Verfahren zu erzeugen. Im ersten Schritt zur Herstellung einer Metallisierung auf der Oberfläche des Substrats erfolgt eine Reinigung des Substrats mittels eines Sandstrahlverfahrens und eine nachfolgende Aktivierung, beides in der Figur über Pfeile A angedeutet. Bei der Aktivierung wird die Substratoberfläche mit einer palladiumhaltigen Lösung, zum Beispiel einer Palladiumchlorid-Lösung, behandelt. Dabei scheiden sich Palladium-Atome auf der Oberfläche des Substrats ab, die die weitere Metallisierung katalysieren.
• Im nächsten Schritt wird über der aktivierten Oberfläche eine Grundmetallisierung GM erzeugt, indem ganzflächig eine Kupferschicht abgeschieden wird. Dies kann in zwei Stufen erfolgen, wobei zunächst eine relativ dünne Kupferschicht stromlos abgeschieden wird, die anschließend galvanisch bis auf die gewünschte Dicke von beispielsweise 5 μm verstärkt wird. 2 zeigt das Substrat S mit der Grundmetallisierung GM, wobei der Einfachheit halber auf die Darstellung der Durchkontaktierungen und der übrigen im Substrat vorhandenen Strukturen verzichtet wurde.
• Zur Strukturierung der Grundmetallisierung wird im nächsten Schritt eine Photolackmaske PM aufgebracht, entsprechend dem gewünschten Muster für die Metallisierung belichtet und entwickelt. Es bleiben die nicht für die Metallisierung vorgesehenen Bereiche von der Photolackmaske PM unbedeckt. 3 zeigt die Anordnung in dieser Verfahrensstufe.
• Mit der Photolackmaske PM als Maske wird anschließend die Grundmetallisierung GM geätzt, wobei das Ätzmittel in Abhän gigkeit vom Material der Grundmetallisierung GM gewählt wird. Für eine Kupferschicht hat sich eine Eisen(III)-Ionen haltige wässrige Lösung als vorteilhaft erwiesen. Möglich sind auch andere Ätzmittel, z.B. Salpetersäure HNO₃. In den nicht von der Photolackmaske gefertigten Bereichen wird die Grundmetallisierung bis auf das Substrat entfernt. Anschließend wird die Photolackmaske entfernt, beispielsweise mit einem Lösungsmittel. 4 zeigt die Anordnung mit der bereits strukturierten Grundmetallisierung SM auf der Oberfläche des Substrats.
• Im nächsten Schritt wird die Grundmetallisierung verstärkt. Dazu sind insbesondere stromlose Verfahren geeignet, mit denen Metall spezifisch auf bereits vorhandene Metallstrukturen SM abgeschieden werden kann, wobei diese verstärkt werden. In einer vorteilhaften Ausführung wird dazu zunächst eine Nickelschicht von ca. 5 μm Dicke auf der strukturierten Grundmetallisierung SM aufgebracht. Darüber erfolgt stromlos die Abscheidung einer ca. 2 μm dicken Palladiumschicht. Abschließend wird darüber ebenfalls Strom durch eine 0,2 μm dicke Goldschicht aufgebracht, um die Metallisierung mit einer bondbaren Oberfläche zu versehen. 5 zeigt die mit einer hier als Dreifachschicht ausgebildeten Verstärkungsschicht VS versehene strukturierte Metallisierung SM. Damit sind die lötbaren Anschlussflächen hergestellt, die eine glatte löt- und bondbare Oberfläche aufweisen, die allseitig gegen Korrosion geschützt sind und die einen definierten Kantenwinkel zum Substrat S besitzen.
• Gemäß einer zweiten Verfahrensvariante wird auf der Oberfläche des Substrats nach der Aktivierung zunächst eine dünne Grundmetallisierung GM erzeugt, beispielsweise eine dünne Kupferschicht von 50 nm bis 1 μm. Über der Grundmetallisie rung wird eine Photolackschicht ganzflächig aufgebracht, bildmäßig belichtet und entwickelt, wobei die für die spätere Metallisierung vorgesehenen Bereiche der Grundmetallisierung GM frei bleiben. In diesem von der Photomaske PM- nicht bedeckten Bereichen kann die Grundmetallisierung GM nun mit einem galvanischen oder stromlosen Verfahren verstärkt werden, wobei die Photomaske PM als Form für Aufwachsen der Metallisierung VS dient. Auf diese Weise kann eine verstärkende Schicht VS bis zu einer gewünschten Schichtdicke erzeugt werden. 7 zeigt die Anordnung nach dieser Verfahrensstufe.
• Anschließend wird die Photomaske PM- entfernt und ein Ätzschritt durchgeführt, bis die Grundmetallisierung GM an den vorher von der Photomaske PM- bedeckten Bereichen bis auf das Substrat entfernt ist. Dabei wird in Kauf genommen, dass auch von der Oberfläche der verstärkenden Schicht VS eine entsprechende Schichtdicke mit abgelöst wird. Dieser Schwund wird sowohl bei der Strukturierung der Photomaske PM als auch bei der insgesamt aufgebrachten Dicke der Metallschichten mit berücksichtigt. 8 zeigt die Anordnung mit der so hergestellten verstärkten Metallisierung.
• Als letzter Schritt wird anschließend eine korrosionsbeständige Schicht und insbesondere eine bondbare Schicht BS über der aus der Grundmetallisierung GM und der verstärkenden Schicht VS bestehenden Metallisierung aufgebracht. Dies kann gegebenenfalls mehrstufig in einem stromlosen Abscheiderprozess aus einer metallhaltigen Lösung erfolgen. 9 zeigt die Anordnung mit den so hergestellten lötfähigen Anschlussflächen LA.
• Auf die gleiche Art und Weise können auch auf der Unterseite des Substrats die lötfähigen Kontakte LK parallel oder in ei ner späteren Verfahrensfolge hergestellt werden. Anschließend ist das keramische Substrat, beispielsweise die LTCC-Leiterplatte fertig zur Bestückung mit Bauelementen.
• 10 zeigt ein mit einem Bauelement BE bestücktes keramisches Substrat S, dessen lötfähige Anschlussflächen LA auf der Oberseite des Substrats mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wurden. Während das Bauelement B beispielsweise aufgeklebt ist, wird die elektrische Verbindung mit Hilfe eines Bonddrahts BD zwischen der lötfähigen Anschlussfläche LA und einer Metallisierung auf der Oberfläche des Bauelements verbunden. Während des Bondvorgangs wird auf den beiden Metallisierungen je ein Bump BU erzeugt. Aufgrund der geringen Rauigkeit der lötfähigen Anschlussflächen LA und der bondbaren Oberfläche der lötfähigen Anschlussflächen kann die Bump-Verbindung beziehungsweise die gebondeten Bonddrähte in hoher Geschwindigkeit und mit hoher Haftfestigkeit in hochautomatisierten und schnellen Bestückungsautomaten durchgeführt werden. Damit ist ein keramisches Substrat mit einer erfindungsgemäß hergestellten lötbaren Anschlussfläche wesentlich gegenüber einem bekannten keramischen Substrat mit aufgedruckten Anschlussflächen verbessert und besonders für die schnellen Bestückungsautomaten zum Herstellen von Bondverbindungen geeignet.

S

Substrat

LK

Lötfähige Kontakte

DK

Durchkontaktierungen

KS

Keramikschicht

ME

Metallisierungsebene

A

Reinigung und Aktivierung

GM

Grundmetallisierung

PM

Photomaske

SM

Metallisierungsstruktur

VS

Verstärkungsschicht

LA

Lötbare Anschlussfläche

BS

Bondbare Schicht

BU

Bump

BE

Bauelement

BD

Bonddraht

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte, die ein keramisches Substrat (S), das auf seiner Oberseite aufgebrachte lötbare Anschlussflächen (LA) für Bauelemente (BE) und auf der Unterseite lötfähige Kontakte (LK) aufweist, bei dem die Metallisierung für die lötbaren Anschlussflächen durch Abscheiden eines Metalls aus der Lösung direkt auf das keramische Substrat erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als keramisches Substrat (S) ein LTCC Panel eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Metallisierung mittels einer Photolithographie zu den lötbaren Anschlussflächen (LA) strukturiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – bei dem zunächst ganzflächig eine Grundmetallisierung (GM) auf dem Substrat (S) aufgebracht wird, – bei dem die Grundmetallisierung (GM) strukturiert wird – bei dem auf die strukturierte Grundmetallisierung (SM) eine Verstärkungsschicht (VS) abgeschieden wird und – bei dem abschließend eine bondbare Schicht (BS) abgeschieden wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem als Grundmetallisierung (GM) eine Kupferschicht abgeschieden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem für die Grundmetallisierung (GM) auf der Oberseite des Substrats (S) zunächst ganzflächig Kupfer stromlos abgeschieden und anschließend durch galvanische Abscheidung von Kupfer verstärkt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem als Verstärkungsschicht (VS) eine Nickelschicht auf der Grundmetallisierung (GM) und darauf eine Palladiumschicht chemisch abgeschieden werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem als bondbare Schicht (BS) eine dünne Goldschicht abgeschieden wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, – bei dem zunächst eine ganzflächig Grundmetallisierung (GM) aus Kupfer auf der Oberseite des Substrats (S) abgeschieden wird, – bei dem auf die Grundmetallisierung eine Photolackschicht aufgebracht, bildmäßig belichtet und zu einer Photolackmaske (PM) entwickelt wird, – bei dem die von der Photolackmaske (PM) nicht bedeckten Bereiche der Grundmetallisierung durch Ätzen entfernt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zur Strukturierung der Grundmetallisierung (GM) mit einer wässrigen Fe(III) Ionen enthaltenden Lösung oder mit HNO₃ geätzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Substrat (S) vor der Metallisierung gereinigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Substrat (S) mittels Sandstrahlens gereinigt wird.