DE1257918B - Integrierter Schaltkreis - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIb

Deutsche Kl.: 21c-2/34

Nummer: 1 257 918

Aktenzeichen: S 82923 VTII d/21 c

Anmeldetag: 18. Dezember 1962

Auslegetag: 4. Januar 1968

Die Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltkreise. Integrierte Schaltkreise in diesem Sinne sind Funktionseinheiten, die aus einem Trägerplättchen aus Isolierstoff und darauf angebrachten, elektrische Funktionen ausübenden Schichten, sowie aus gegebenenfalls vorgefertigten elektrischen Bauelementen bestehen. Die elektrische Funktionen ausübenden Schichten können z. B. Metallbeläge für Kondensatoren oder Widerstände sein (z. B. Al, Au, Ag, Cr/Ni/Cr/Au), es kann sich aber auch um Halbleiteroder Isoliermaterial handeln, das als Widerstandsbzw. Dielektrikumsschicht dient (z. B. SnO₂, SiO, Al₂O₃, Ta₂O₅, BaTiO₃). Die bei der Funktionseinheit verwendeten vorgefertigten Bauelemente können Dioden, Transistoren oder Stromversorgungselemente sein. Die elektrische Verschaltung der einzelnen Teile eines integrierten Schaltkreises erfolgt durch Leitungsbahnen, die mit den elektrische Funktionen ausübenden Schichten in elektrischem Kontakt stehen, aber auch zu Stellen auf dem Isolierstoffträger geführt sind, an denen vorgefertigte Bauelemente durch Verlöten befestigt werden.

Damit von den Leitungsbahnen keine Störungen der Funktionsfähigkeit des intergrierten Schaltkreises hervorgerufen werden, müssen diese sowohl eine hohe Leitfähigkeit und einen guten Kontakt zu den Widerstands- oder Kondensatorschichten ergeben als auch eine gute Haftfestigkeit auf dem Trägermaterial und eine gute Lötfähigkeit besitzen.

Die Vereinigung dieser vier Bedingungen in einem Material stößt auf erhebliche Schwierigkeiten. So zeigt z. B. Silber, das zusammen mit Haftoxyden aufgebracht wird, als Material für die Leitungsbahnen eine hohe Leitfähigkeit und gute Lötbarkeit, jedoch ist hierbei der Kontakt zu den elektrische Funktionen ausübenden Schichten nicht zufriedenstellend, insbesondere, wenn es sich bei diesen Schichten um Aluminiumbelegungen von Kondensatoren handelt. Nickel und Nickellegierungen geben zwar einen guten Kontakt zu den Schichten und haften gut, jedoch ist die Leitfähigkeit von diesem Material nicht ausreichend hoch, und auch die Lötbarkeit läßt zu wünschen übrig. Andere Materialien, die vermuten lassen, daß die genannten Bedingungen erfüllt werden, erweisen sich dann wieder als schwierig aufbringbar.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten hat man sich dadurch beholfen, daß man außer den Leitungsbahnen auch Lötstützpunkte auf den Isolierstoffträgern aufgebracht hat, zu denen die Leitungsbahnen in elektrischem Kontakt stehen. Die Lötstützpunkte selbst gewährleisten eine gute Verlötung mit den vorgefertigten Bauelementen. Damit fiel die Be-Integrierter Schaltkreis

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Gerhard Mayer, 8000 München;

Dipl.-Phys. Dr. Karl Haas, 8720 Schweinfurt - -

dingung weg, daß die Leitungsbahnen lötfähig sein mußten. Man hat sich auch auf andere Weise beholfen, indem man die Anschlußdrähte der vorge-

ao fertigten Bauelemente extrem dünn wählte und diese Anschlußdrähte mit den Leitungsbahnen durch Thermokompression verbunden hat.

Es ist auch bereits bekannt, zur Herstellung gedruckter Schaltungen auf Isolierplatten aus Glas die

as Leiterbahnen dadurch aufzubringen, daß zunächst eine Chrom-Nickel-Schicht und darüber eine Goldschicht unter vermindertem Druck auf die Platten aufgedampft wird, vorzugsweise ohne Zwischenbelüftung. Die übereinanderliegenden Schichten werden danach, vorzugsweise ohne Zwischenbelüftung, getempert. Nach der Temperung ist noch vorgesehen, die aufgedampfte Goldschicht durch elektrolytische Abscheidung zu verstärken. Die Gesamtstärke der aufgebrachten Schichten, also die Gesamtstärke der Leiterbahnen, liegt hierbei etwa zwischen 0,076 und 0,12 mm.

Derartige Leiterschichten auf Glas-, Keramikplättchen od. dgl. besitzen aber insbesondere den Nachteil, daß sie mitunter, trotz der an sich guten Haftfestigkeit von Chrom-Nickel-Schichten auf Glas, Keramik od. dgl., leicht vom Trägerplättchen abwischbar sind und deshalb mitunter, insbesondere bei Temperaturbeanspruchungen, von den Trägerplättchen abblättern.

Die Erfindung' bezieht sich auf integrierte Schaltkreise der angegebenen Art und vermeidet die Nachteile des Abblätterns der Leiterbahnen von der Trägerplatte dadurch, daß erfindungsgemäß die Haftzwischenschicht in einer Stärke aufgetragen ist, die einen Flächenwiderstand von 50 bis 500 Ohm ergibt, und die Goldschicht in einer Stärke, die einen Flächenwiderstand von 0,05 bis 1 Ohm ergibt, und daß

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die Legierungszone zwischen der Haftzwischenschicht und der Goldschicht weder bis zum Isoliermaterial noch bis zur Oberfläche der Leitungsbahn reicht.

Die Leiterbahnen, die gemäß der Erfindung vorgesehen sind, sind also sehr dünn; unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Trägerkörper- und Leiterbahnenmaterial machen sich somit praktisch nicht nachteilig bemerkbar. Außerdem reicht die Legierungszone zwischen der Haftzwischenschicht und der Goldschicht, die die eigentliche Leiterbahn darstellt, nicht bis zum Trägerplättchen. Die Haftfestigkeit der Leiterbahn auf dem Trägerplättchen wird somit im wesentlichen durch das Material der Haftzwischenschicht bestimmt, Chrom, Nickel und Legierungen aus diesen Materialien haften bekanntlich sehr gut auf Glas, Keramik od. dgl.

Ganz besonders haben sich als Haftzwischenschicht Schichten aus Chrom-Nickel-Legierungen mit einem Gewichtsverhältnis Chrom zu Nickel wie 20: 80 und Schichten aus Chrom oder Magnesium bewährt. Solche Schichten lassen sich gut aufbringen, haften auf dem Isoliermaterial ausgezeichnet und legieren leicht mit Gold. Während Chrom leicht verdampfbar ist und aus jeder Art von Verdampfungsschiffchen sublimiert werden kann, bieten Chrom-Nickel-Legierungen den Vorteil des rascheren Verdampfern, weil sich in den Schiffchen Schmelzen bilden.

Ganz wesentlich für die Erfindung ist es, daß die Legierungszone zwischen der Haftzwischenschicht und der Goldschicht weder bis zum Isoliermaterial noch bis zur Oberfläche der Leitungsbahnen reicht. Würde die Legierungszone bis zum Isoliermaterial reichen, so würde die Haftfestigkeit der Leiterbahnen auf dem Trägerplättchen verschlechtert. Wäre dagegen die Goldschicht durchlegiert, so würde sich eine niedrige Leitfähigkeit der Goldschicht, die die eigentliche Leiterbahn darstellt, ergeben. Gemäß der Erfindung wird dadurch, daß die Legierungszone sehr dünn ist und nicht bis zur Oberfläche der Goldschicht reicht, die Leitfähigkeit der Goldschicht nicht wesentlich verschlechtert. Die gesamte Leiterbahnstärke kann somit sehr klein sein, und zwar soll die Stärke der Haftzwischenschicht so bemessen sein, daß sie einen Flächenwiderstand von etwa 50 bis etwa 5000hm aufweist, während die Stärke der Goldschicht so bemessen sein sollte, daß ein Flächenwiderstand von 0,05 bis 1 Ohm gewährleistet ist. Hierbei haben sich für die Haftzwischenschicht 100 Ohm und für die Goldschicht 0,2 Ohm als besonders vorteilhaft erwiesen.

Will man stärkere Leitungsbahnen haben, so empfiehlt es sich, die Leitungsbahnen aus mehreren Haftzwischenschichten, die mit ihnen abwechselnden mehreren Goldschichten durchsetzt sind, auszubilden, wobei die oberste Schicht eine Goldschicht istr GoIdschichten sind ausgezeichnet lötbar.

Das Verfahren zum Herstellen der Leitungsbahnen bei integrierten Schaltkreisen, wobei die Haftzwischenschicht und die Goldschicht ohne Zwisehenbelüftung im gleichen Vakuum aufgedampft werden, desteht darin, daß die Aufdampfung der Goldschicht noch vor Beendigung des Aufdampfens der Haftzwischenschicht begonnen wird und die Aufdampfung bei einer Temperatur vorgenommen wird, die oberhalb der höchsten, später für die Fertigstellung des integrierten Schaltkreises erforderlichen weiteren Temperatur liegt, wonach die Leitungsbahnen bei einer ebenso hohen Temperatur im Vakuum getempert werden.

Es ist aber auch möglich, daß zuerst die Haftzwischenschicht und danach die Goldschicht aufgedampft wird. Durch anschließende Temperung bei einer Temperatur, die wenigstens gleich ist der höchsten, später zur Fertigstellung des integrierten Schaltkreises erforderlichen weiteren Temperatur oder vorzugsweise höher als diese Temperatur liegt, wird für

ίο die Bildung der definierten Legierungszone gesorgt. Die Aufdampfvorgänge sollten bei Temperaturen von wenigstens 150 und höchstens etwa 400° C vorgenommen werden. Hat man eine niedrige Temperatur der zu bedampfenden Unterlage gewählt, etwa 150° C, so empfiehlt es sich in jedem Fall, eine Temperung der Schichten bei einer Temperatur vorzunehmen, die bei oder vorzugsweise oberhalb der höchsten, später zur Fertigstellung des integrierten Schaltkreises erforderlichen weiteren Temperatur

ao liegt. Hierbei haben sich Temperzeiten von 15 Minuten bis etwa einer Stunde als vorteilhaft erwiesen. Auch sollte die Temperung im Hochvakuum vorgenommen werden.
Da die Bedampfungstemperaturen für Dielektrikums- oder Halbleitermaterial bei etwa 300° C liegen, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, die Bedampfungs- und/oder Temperungstemperaturen beim Herstellen der lötfähigen Leitungsbahnen in der Größenordnung von 350° C zu wählen.

Mit der angegebenen Schicht können auch andere dünne Schichten, z. B. wiederum aus Chrom-Niekel-Legierungen oder aus Tantal, Gold, Gold-Platin-Legierung, Aluminium oder Nickel, kontaktiert werden, wobei diese Schichten vor oder nach der Lötschicht gemäß der Erfindung aufgebracht sein können.

An Hand der Zeichnungen soll an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen integrierten Schaltkreis, und

F i g. 2 stellt einen Schnitt längs der Linie A-B in Fig. 1 dar.

In Fig. 1 ist mit 1 die Isolierstoffträgerplatte bezeichnet, auf der sich Leitungsbahnen 2 befinden.

Diese Leitungsbahnen 2 verbinden Widerstandsbahnen 3 einerseits mit einem Transistor 8 und andererseits mit einem Stromversorgungselement 9, bzw. die Leitungsbahnen verbinden elektrische Funktionen ausübende Schichten 6,7 mit vorgefertigten Bauelementen 8,9 oder Widerstandsbahnen 3. Die elektrische Funktionen ausübenden Schichten sind z. B. die Dielektrika von Kondensatoren, z. B. 4 und 5, mit den zugehörigen Belegungen 6 und 7. Unterhalb der Schichten 4 und 5 befinden sich ebenfalls metallische Belegungen, die jedoch in der Zeichnung nicht sichtbar sind.

F i g. 2 stellt einen Schnitt längs der Linie A-B in F i g, 1 dar und zeigt den Isolierstoffträgerkörper 1 mit einer Leitungsbahn 2 und dem Transistor 8 sowie dem Stromversorgungselement 9. Die Leitungsbahn 2 besteht in Nachbarschaft zum Isolierstoffträger 1 aus einer Haftzwischenschicht 10, einer Legierungszone 11 und einer Goldschicht 12, die die Leitungsbahn von oben abdeckt, Die Legierungszone 11 grenzt weder in den Isolierstoff träger l.noch an die Oberfläche der Leitungsbahn, d, h., weder die Zwischenschicht noch die Goldschicht sind durchlegiert.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Integrierter Schaltkreis, zusammengesetzt aus einem Trägerplättchen aus Isolierstoff, darauf angebrachten, elektrische Funktionen ausübenden Schichten und gegebenenfalls vorgefertigten elektrischen Bauelementen, sowie auf dem Trägerplättchen erzeugten Leitungsbahnen, die als Verschaltung und/oder Kontaktierung zwischen den Schichten und den Bauelementen dienen und aus einer Chrom-Nickel-Legierung als Haftzwischenschicht und aus wenigstens einer darüberliegenden und mit der Haftzwischenschicht legierten Goldschicht bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftzwischenschicht (10) in einer Stärke aufgetragen ist, die einen Flächenwiderstand von 50 bis 500 Ohm ergibt, und die Goldschicht (12) in einer Stärke, die einen Flächenwiderstand von 0,05 bis 1 Ohm ergibt, und daß die Legierungszone (11) zwischen der Haftzwischenschicht (10) und der Goldschicht (12) weder bis zum Isoliermantel (1) noch bis zur Oberfläche der Leitungsbahn (2) reicht.

2. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenwiderstand der Haftzwischenschicht 100 Ohm und der Flächenwiderstand der Goldschicht 0,2 Ohm beträgt.

3. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsbahnen aus mehreren Haftzwischenschichten, die mit ihnen abwechselnden mehreren Goldschichten durchsetzt sind, bestehen, wobei die oberste Schicht eine Goldschicht ist.

4. Verfahren zum Herstellen von lötbaren Leitungsbahnen bei integrierten Schaltkreisen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Haftzwischenschicht und die Goldschicht ohne Zwischenbelüftung im gleichen Vakuum aufgedampft werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdampfung der Goldschicht noch vor Beendigung des Aufdampfens der Haftzwischenschicht begonnen wird und die Aufdampfung bei einer Temperatur vorgenommen wird, die oberhalb der höchsten, später für die Fertigstellung des integrierten Schaltkreises erforderlichen weiteren Temperatur liegt, wonach die Leitungsbahnen bei einer ebenso hohen Temperatur im Vakuum getempert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperzeit 15 Minuten bis 1 Stunde beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Temper- bzw. Bedampfungstemperaturen zwischen 150 und 400° C liegen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temper- bzw. Bedampfungstemperaturen bei 350° C liegen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 006 692,
014;

britische Patentschrift Nr. 874 965;

»Electronics«, Dezember 1959, S. 96 bis 98;

»Technische Rundschau«, vom 30. 3.1961, S. 32 bis 34.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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