DE19817359A1 - Keramische Mehrlagenschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Keramische Mehrlagenschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Abstract

Es wird eine keramische Mehrlagenschaltung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung vorgeschlagen, die kostengünstige, korrosionsbeständige, gegen den Kirkendalleffekt gefeite und für unterschiedliche Montageprozesse einsetzbare Außenkontaktierungen bzw. Außenleiterbahnen aufweist. Der Schaltungsaufbau bzw. das Verfahren umfaßt den Einsatz einer reinen Silberpaste für die Realisierung von Außenleiterbahnen bzw. Außenkontaktierungen. Korrosionsbeständigkeit wird durch eine dünne metallische Schutzschicht gewährleistet.

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.
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.
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.
Insbesondere 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.
Wird beim Aufbringen der Außenleiterbahnen und/oder Außenkontaktierungen eine fotoempfindliche (Silber-)Paste verwendet und werden die Silberstrukturen durch einen Fotoprozeß erzeugt, so sind die Mikrostrukturen mit einer Leiterbahn- bzw. Padbreite bis herab zu 100 µm bzw. mit einem gegenseitigen Abstand bis herab zu 50-30 µm erreichbar. Das führt zu Platzersparnis, gibt Spielraum für Toleranzen (d. h. liefert einen robusteren Prozeß) bzw. macht den Einsatz von keramischen Mehrlagenschaltungen für bestimmte "Fine Pitch"-Halbleiter erst möglich, die an der Oberfläche der keramischen Mehrlagenschaltung nur mit enggerasterten Pads kontaktierbar sind. Der Einsatz einer fotoempfindlichen Silberpaste macht die Schaltung zudem billiger als bei Verwendung von einer Goldpaste (Materialkosten aufgrund subtraktiver Prozeßführung, ferner kürzere Belichtigungszeiten der Silberpaste im Vergleich zur Goldpaste).
Eine Nickel und/oder Gold-Oberfläche auf der fein strukturierten Silberbahn bzw. Silberkontaktierung (Pad) gewährleistet überdies Korrosionsschutz und gute Bondbarkeit.
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 Fig. 1 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 Außenkotaktierungen 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.
Fig. 2 zeigt schematisch auf einer Oberfläche einer keramischen Mehrlagenschaltung in einer Reihe angeordnete Pads 30. Diese Pads weisen eine Padbreite 21 und einen Padabstand 22 auf. Die Summe von Padbreite 21 und Padabstand 22 ist in Fig. 2 mit Bezugszeichen 20 versehen und wird als Raster bzw. Pitch bezeichnet.
Ein- bzw. zweireihige Anordnungen derartiger Pads dienen zur Kontaktierung von Halbleiterchips auf der Oberfläche der keramischen Mehrlagenschaltung. Bondtechnisch ist beispielsweise eine untere Grenze von ca. 120 µm für die Padbreite 21 vorgegeben. Sollen Halbleiterchips kontaktiert werden, die ein Raster am Halbleiterkörper bis herab zu 80 µm haben, so ist bei einer zweireihigen Anordnung von Pads auf der Oberfläche der keramischen Schaltung ein Raster 20 von 180 bis 160 µm für die Pads 30 vorzusehen. Werden Silberleiterbahnen auf eine grüne Keramik gedruckt und anschließend in einem Cofireprozeß gesintert, so ist bei einer vorgegebenen Bondpadbreite von 120 µm und einem drucktechnisch bedingten minimalen Abstand 22 von 80 µm ein minimales Raster von 220 µm möglich. Eine weitere Verbesserung hin zu kleineren Rastern 20 ist durch den Einsatz von einer fotoempfindlichen Silberpaste, eines Fotoprozesses und einer sich anschließenden Postfirebehandlung möglich: Dabei wird nach der Stapelung der keramischen Folien, nach einem Preßvorgang bei leicht erhöhter Temperatur und nach einem Sinterprozeß bei 850 bis 900°C auf der Oberfläche der keramischen Mehrlagenschaltung eine fotoempfindliche Silberpaste aufgedruckt. Dabei kommt beispielsweise die Silberpaste mit dem Namen Fodel von DuPont zum Einsatz. Darauf erfolgt ein Trocknen der gedruckten Paste, so daß diese im getrockneten Zustand ungefähr eine Dicke von 6 µm aufweist. In einem weiteren Schritt wird die gedruckte Paste durch eine Maske mit UV-Licht belichtet, anschließend die unbelichteten Strukturen in einer Natriumcarbonatlösung ausgewaschen und anschließend die Oberfläche mit Wasser gespült und schließlich getrocknet. Die herausstrukturierten Silberanordnungen werden bei 850 bis 900°C in einem Postfireprozeß eingebrannt, so daß daraus Silberleiterbahnen entstehen. Daran schließt sich der schon zuvor beschriebene Prozeß der Beschichtung mit Nickel und/oder Gold an, wobei zunächst die Silberleiterbahnen bekeimt werden. Nach dem Bekeimen schließt sich ein chemisches Abscheiden von Nickel, ein Spülvorgang, danach ein chemisches Abscheiden von Gold und schließlich nochmals ein Spülvorgang an. Das Ergebnis sind fein strukturierte Silberleiterbahnen bzw. Silberpads, die einen Korrosionsschutz aufweisen und zudem leicht bondbar sind.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung keramischer Mehrlagenschaltungen, bei dem
  • - in ungebrannte keramische Folien Durchkontaktierlöcher (1) eingestanzt werden,
  • - die Durchkontaktierlöcher mit einer Leiterbahnpaste, insbesondere einer Silberpaste, aufgefüllt werden,
  • - in einem weiteren Schritt Leiterbahnen (2) aus elektrisch leitendem Material, insbesondere 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) aufgebracht werden und daß in einem weiteren Schritt eine metallische Schutzschicht, vorzugsweise Nickel und/oder Gold, auf die Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) aufgetragen wird.
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 innenliegenden Seiten Leiterbahnen (2) aufgebracht sind, die über mit Leiterbahnpaste 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 einer metallischen Schutzschicht, vorzugsweise Nickel und/oder 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.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragen der Außenleiterbahnen und/oder Außenkontaktierungen nach dem Sintervorgang unter Verwendung eines Fotoprozesses erfolgt.
11. Keramische Mehrlagenschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Außenkontaktierungen mit einem Abstand von kleiner als 80 µm vorgesehen sind.
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