DE19646369B4 - Keramische Mehrlagenschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung keramischer Mehrlagenschaltungen in LTCC-Technik, bei dem
– in ungebrannte keramische Folien Durchkontaktierlöcher (1) eingestanzt werden,
– die Durchkontaktierlöcher mit einer Silberpaste aufgefüllt werden,
– in einem weiteren Schritt Leiterbahnen (2) aus Silber auf die Folien gedruckt werden,
– die keramischen Folien anschließend zu einem Folienstapel (3) gestapelt und in einem Pressvorgang miteinander verbunden werden,
– in einem weiteren Schritt ein Sintervorgang erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach dem Sintervorgang Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) aus Silber an den Außenseiten (10) des Folienstapels (3) aufgedruckt werden und dass in einem weiteren Schritt metallische Schutzschichten aus Nickel und Gold auf die Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) aufgetragen werden.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer keramischen Mehrlagenschaltung bzw. von einem Verfahren zur Herstellung einer keramischen Mehrlagenschaltung nach der Gattung der Hauptansprüche. Es sind schon keramische Mehrlagenschaltungen bzw. Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt, die in der Zeitschrift „productronic" Nr. 8, 11/95, Seite 40 bis 46 im Aufsatz „LTCC – die zwingende Alternative" von Bernhard H. Mussler et al. beschrieben sind, bei denen entweder reines Silber für Außenmetallisierungen oder Silberpalladium und/oder Gold in Kombination mit Zwischenleiterbahnen für Außenmetallisierungen verwendet wird. Bei der Verwendung reinen Silbers tritt bei undefinierten Lagerbedingungen Korrosion auf. Bei der Verwendung von Silberpalladium und/oder Gold in Kombination mit Zwischenleiterbahnen kommt es am Übergang von silbergefüllten Durchkontaktierlöchern zu Silberpalladium bzw. Gold zu Diffusionsvorgängen (Kirkendalleffekt), was zu einer Materialauszehrung führen kann.
  • Die EP 0 247 617 A2 beschreibt keramische Mehrlagenschaltungen mit Silberplatinleiterbahnen bzw. -vias im Inneren sowie Goldaußenkontaktierungen, bei denen zwischen den Außenkontaktierungen und den Vias in der obersten Lage eine Übergangsbelegung aus Nickel und Gold angeordnet ist.
  • Die US 4,464,420 richtet sich nicht auf LTTC-Technik, sondern es wird ein Hochtemperatursinterprozess verwendet. Bei diesem Prozess können keine Silberleiterbahnen im Inneren verwendet werden. Anstatt dessen werden Leiterbahnen aus Wolfram, Molybdän oder dergleichen verwendet, die bei den hohen Sintertemperaturen dieses Hochtemperaturprozesses ausreichend beständig sind. Nach dem Hochtemperatursintern bei 1600°C erfolgt dann ein Aufbringen von metallischen Schutzschichten. Erst danach werden weitere Schichten, die auch Silber enthalten, aufgebracht, die jedoch nachfolgend nicht mehr mit einer Schutzschicht versehen werden. Es handelt sich hierbei auch um die üblichen Silberplatin- oder Silberpalladiumpasten, die sich auch ohne zusätzliche Schutzschichten auf den Außenseiten von Multilayerschaltungen bewährt haben.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer keramischen Mehrlagenschaltung bzw. die keramische Mehrlagenschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptansprüche haben demgegenüber den Vorteil, ein einfaches und preiswertes sowie zeitsparendes Verfahren darzustellen, wobei die keramische Mehrlagenschaltung korrosionsbeständig ist und mit niederohmigen Außenkontakten bzw. Außenleiterbahnen versehen ist.
  • Dadurch, daß Silber für Außenleiterbahnen verwendet wird, erzielt man niederohmige, gegen den Kirkendalleffekt gefeite Übergänge zu mit Silber gefüllten Durchkontaktierungen der keramischen Mehrlagenschaltung. Eine metallische Schutzschicht über die Außenleiterbahnen bzw. Außenkontaktierung aus Silber verleiht denselben Korrosionsbeständigkeit.
  • Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß aufgrund des Vorsehens einer metallischen Schutzschicht der Einsatz reiner Silberpasten als offene Montageleiterbahnen möglich wird, da aufgrund der metallischen Schutzschicht Schwefel, Chlor, Luftfeuchtigkeit usw. den Außenleiterbahnen bzw. Außenkontaktierungen nichts anhaben kann.
  • Außerdem wird die Kombination unterschiedlicher Leiterbahnqualitäten wie Gold, Goldsilber, Goldsilberpalladium, Silberpalladium, -Platin umgangen, da beispielsweise Zwischenleiterbahnen nicht mehr erforderlich sind. So werden auch im Herstellungsverfahren zeitaufwendige Verfahrensschritte eingespart, wie das Drucken und Einbrennen einer Paste beispielsweise, die nach dem Herstellungsvorgang als Zwischenleiterbahn dienen soll. Auch Materialwerte, die zum Teil beträchtlich sind, werden eingespart.
  • Das Vorsehen einer Nickelschicht und einer darauf angeordneten Goldschicht, insbesondere in einem stromlosen oder galvanischen Verfahren, stellt eine einfache und kostensparende Vorgehensweise zur Herstellung einer metallischen Schutzschicht dar.
  • Dabei kann die Schichtdicke der Nickelschicht bzw. der Goldschicht jeweils optimiert werden, beispielsweise dergestalt, daß die Goldschicht etwas dünner ausgeführt wird als die Nickelschicht, um möglichst wenig Gold zu benötigen.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Mehrlagenschaltung bzw. des Herstellungsverfahrens, die in den nebengeordneten Ansprüchen angegeben sind, möglich.
  • Zeichnung
  • Die einzige Figur stellt ein Beispiel einer keramischen Mehrlagenschaltung nach dem Stand der Technik dar.
  • Beschreibung
  • Der typische Aufbau einer keramischen Mehrlagenschaltung in LTCC-Technik (Low Temperature Cofiring Ceramics) nach dem Stand der Technik ist in der einzigen Figur dargestellt. Keramische Folien sind zu einem Folienstapel 3 angeordnet. Mit leitendem Material gefüllte Durchkontaktierlöcher 1 stellen eine elektrische Verbindung zwischen Leiterbahnen 2 auf den verschiedenen Keramikfolien her. Vorzugsweise werden wegen des kleinen spezifischen Widerstands Silberpasten zur Realisierung der innenliegenden Leiterbahnen 2 und der Füllung der Durchkontaktierlöcher 1 verwendet. An den beiden Außenseiten 10 der keramischen Mehrlagenschaltung sind Außenkontaktierungen 5 angeordnet, die beispielsweise den elektrischen Kontakt zu einem Widerstand 7 herstellen. Der Widerstand 7 kann dabei beispielsweise von einem Abdeckglas 8 hermetisch abgeschlossen sein. Auch Außenleiterbahnen 4 können vorgesehen sein. Für die Außenleiterbahnen werden Materialien wie Gold, Silbergold, Silberpalladium, Silberplatin, Silberpalladiumplatin verwendet, denn reines Silber ist an der Oberfläche nicht korrosionsbeständig. Nur an den innenliegenden Seiten 9 der Keramikfolien des Folienstapels 3 ist die mangelhafte Korrosionsbeständigkeit reinen Silbers unproblematisch. Um ferner den Widerstand zwischen den Außenleiterbahnen 4 und den zu kontaktierenden mit Silber gefüllten Durchkontaktierlöchern 1 möglichst niederohmig auszubilden, sind Zwischenleiterbahnen 6 vorgesehen, die eine Abstufung des Silbergehalts ermöglichen. Ferner wird damit eine Verminderung des Kirkendalleffekt erzielt, also eine unerwünschte Silberdiffusion unterbunden.
  • Das Herstellungsverfahren einer keramischen Mehrlagenschaltung gestaltet sich folgendermaßen. In ungebrannte („grüne") keramische Folien werden Durchkontaktierlöcher 1 eingestanzt. Die Durchkontaktierlöcher werden mit einer Leiterbahnpaste, insbesondere einer Silberpaste aufgefüllt, und in einem weiteren Schritt werden Leiterbahnen 2 aus elektrisch leitendem Material, insbesondere reinem Silber auf die Folien gedruckt. Die keramischen Folien werden anschließend zu einem Stapel gestapelt und in einem Preßvorgang bei leicht erhöhter Temperatur miteinander verbunden. Darauf folgt ein Sinterprozeß.
  • Es werden schon unmittelbar vorher aufgedruckte Außenleiterbahnen und/oder Außenkontaktierungen während des Sinterprozesses eingebrannt, oder es werden nach dem Sinterprozeß Außenleiterbahnen und/oder Außenkontaktierungen aufgedruckt und eingebrannt. Auch für Widerstände gibt es spezielle Widerstandspasten, die aufgetragen und anschließend eingebrannt werden. Je mehr Materialien an den Außenseiten 10 der keramischen Mehrlagenschaltung aufgetragen werden, um so komplizierter, kosten- und zeitintensiver gestaltet sich der Herstellungsprozeß.
  • Bei keramischen Mehrlagenschaltungen in LTCC-Technik sind für Montageprozesse verschiedener Bauteile unterschiedliche Leiterbahnen erforderlich. So erfordert ein Golddrahtbonden von Bauteilen auf den Außenseiten der keramischen Mehrlagenschaltung eine Goldleiterbahn, eine Klebemontage von Bauelementen bzw. ein Aluminiumdickdrahtbonden erfordern eine Silberpalladiumleiterbahn an den Außenseiten der keramischen Mehrlagenschaltung. Ebenso erfordert eine Anbindung von ohmschen Widerständen und Kontaktierflächen Silberpalladiumleiterbahnen an den Außenseiten. Das erfindungsgemäße Vorsehen von Außenleiterbahnen bzw. Außenkontaktierungen aus reinem Silber mit einer beispielsweise galvanischen Verstärkung durch eine dünne Nickel- und eine dünne Goldschicht ermöglicht es, mit einer Sorte von Außenleiterbahn bzw. Außenkontaktierung sämtliche Anforderungen bezüglich eingesetzter Montagetechniken von Bauteilen auf den Außenseiten keramischer Mehrlagenschaltungen abzudecken. Vorzugsweise wird dabei nach dem Auftragen der Silberpaste in einem nachfolgenden Prozeß galvanisch oder stromlos erst eine ungefähr 5 μm dicke Nickelschicht und anschließend eine zirka 0,2 μm dicke Goldschicht aufgetragen. Eine solche Leiterbahnstruktur an den Außenseiten läßt sich für alle gängigen Montageprozesse verwenden, wie für Aluminium- oder Golddrahtbonden, Löten, Flipchip-Montagen, Kleben oder das Anbringen sonstiger Kontaktierungen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung keramischer Mehrlagenschaltungen in LTCC-Technik, bei dem – in ungebrannte keramische Folien Durchkontaktierlöcher (1) eingestanzt werden, – die Durchkontaktierlöcher mit einer Silberpaste aufgefüllt werden, – in einem weiteren Schritt Leiterbahnen (2) aus Silber auf die Folien gedruckt werden, – die keramischen Folien anschließend zu einem Folienstapel (3) gestapelt und in einem Pressvorgang miteinander verbunden werden, – in einem weiteren Schritt ein Sintervorgang erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach dem Sintervorgang Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) aus Silber an den Außenseiten (10) des Folienstapels (3) aufgedruckt werden und dass in einem weiteren Schritt metallische Schutzschichten aus Nickel und Gold auf die Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) aufgetragen werden.
  2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) zunächst mit einer Nickelschicht und in einem weiteren Schritt mit einer dünnen Goldschicht versehen werden.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schutzschicht in einem galvanischen oder stromlosen Verfahren auf die Außenleiterbahnen und/oder Außenkontaktierungen aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht eine Dicke von ca. 5 Mikrometern aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschicht eine Dicke von ca. 0,2 Mikrometern aufweist.
  6. Keramische Mehrlagenschaltung, mit mindestens zwei aufeinander gestapelten keramischen Folien, auf deren innen liegenden Seiten Leiterbahnen (2) aus Silber aufgebracht sind, die über mit Leiterbahnpaste aus Silber gefüllten Durchkontaktierlöchern (1) mit Leiterbahnen benachbarter Folien elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Außenseiten (10) des Folienstapels Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) aus Silber angebracht sind und dass die Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) mit metallischen Schutzschichten aus Nickel und Gold versehen sind.
  7. Keramische Mehrlagenschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) mit einer Nickelschicht und mit einer auf der Nickelschicht aufgetragenen Goldschicht versehen sind.
  8. Keramische Mehrlagenschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht eine Dicke von ca. 5 Mikrometern aufweist.
  9. Keramische Mehrlagenschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschicht eine Dicke von ca. 0,2 Mikrometern aufweist.
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