DE19855193A1

DE19855193A1 - Leiterplatte zur Flip-Chip-Befestigung

Info

Publication number: DE19855193A1
Application number: DE19855193A
Authority: DE
Inventors: Shoichi Nakagawa; Takashi Yamasaki; Shinya Terao
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: DENSO CORP., KARIYA, AICHI, JP KYOCERA CORP., KYOT
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2000-05-31

Abstract

Angegeben wird eine Leiterplatte zur Flip-Chip-Befestigung, wobei in einem Abschnitt unter der Oberfläche einer keramischen Isolierplatte, wo die Befestigung eines Halbleiterelements vorgesehen ist, eine elektrische Leiterschicht ausgebildet ist, die von dem durch Flip-Chip-Verbindung angebrachten Leitungssystem elektrisch unabhängig ist. Bei der Isolierplatte wird eine Deformation, zum Beispiel ein Verfahren oder Welligwerden, wirksam unterdrückt, und die Oberfläche zur Befestigung eines Halbleiterelements weist einen hohen Flachheitsgrad auf. Die Leiterplatte funktioniert zum Beispiel als Bauteil in Fahrzeugen über einen langen Zeitraum sehr zuverlässig.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte zur Flip-Chip- Befestigung.

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte zur Flip-Chip- Befestigung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Leiterplatte, die eine sehr flache Oberfläche aufweist und zur. Flip-Chip-Befestigung eines Halbleiterelements (nachfolgend auch "Peripher-Halbleiterelement" genannt) verwendet wird. Das Halbleiterelement ist sehr flach und weist Flip-Chip-Verbindungselektroden auf, die kreisförmig entlang der Umfangskante der unteren Oberfläche des Elements angeordnet sind.

Für Halbleiterelemente enthaltende Bauteile oder hybride inte grierte Schaltungsanordnungen, an denen Halbleiterelemente und verschiedene elektronische Teile, wie Kondensatoren und Widerstände, befestigt sind, wurde bisher in großem Umfang eine keramische Leiterplatte benutzt, die dadurch erhalten worden ist, daß auf der Oberfläche, an der Innenseite oder an der Bodenfläche einer Isolierplatte, bestehend aus einer Keramik, z. B. einem gesinterten Aluminiumoxidprodukt, viele Leiter aus einem hochschmelzenden Metall, wie Wolfram, Molybdän oder Mangan, ausgebildet wurden. Bei den genannten Bauteilen wurde beispielsweise in der Nähe des Mittel abschnitts in der oberen Oberfläche der keramischen Isolierplatte ein Oberflächenbereich, z. B. ein als Ausneh mung gestalteter Abschnitt, zum Befestigen eines Halbleiter elements gebildet, und in dem Oberflächenbereich wurde unter Verwendung eines Klebstoffs, z. B. eines Glases, eines Harzes oder eines Hartlötmaterials, ein Halbleiterelement befestigt. Die an dem Halbleiterelement ausgebildeten Elektroden sind mit den Leitungen verbunden, die den genannten Oberflächenbereich umgeben. Darüber hinaus wird unter Verwendung des gleichen Klebstoffs wie er oben genannt worden ist, an dem Oberflächenbereich der Isolierplatte eine Hülle aus einem Metall oder einer Keramik angebracht, um das Halb leiterelement luftdicht zu verschließen.

Gleichzeitig mit dem Trend zur Gestaltung von Halbleiter elementen, wie ICs und LSIs, in stark integrierter Form und in sehr kleinen Größen sowie für Hochgeschwindigkeitsverfahren wurden jedoch in den letzten Jahren die auf der Leiterplatte zum Anbringen des Halbleiterelements gebildeten Leiter sehr fein und bilden äußerst dichte Leitungssysteme, und es wurde nötig, die Halbleiterelemente kompakter zu befestigen. Aus diesem Grund wurde häufiger das Verfahren der Flip-Chip-Befestigung angewandt, um die Elektroden des Halbleiterelements direkt mit den Leitungen der Isolierplatte (Leiterplatte) über Lötmetallhöcker anstelle von Drahtverbindungen zu verbinden. Das heißt, gemäß der Flip-Chip-Befestigungsmethode werden die Elektroden des Halbleiterelements direkt mit den Leitungen der Leiterplatte verbunden und deshalb muß der Bereich, in dem das Halbleiterelement an der Oberfläche der Isolierplatte befestigt werden soll, in hohem Maße flach sein.

Elektronische Vorrichtungen mit einer Leiterplatte, auf der ein Halbleiterelement befestigt ist, finden immer mehr Anwen dungen und werden in vielen verschiedenen Umgebungen unter strengen Bedingungen benutzt. Beispielsweise wurden viele Fahrzeuge, wie Automobile, mit einer elektronischen Steuer vorrichtung ausgerüstet. Diese elektronischen Vorrichtungen werden unter sehr harten Umgebungsbedingungen benutzt und müssen deshalb in hohem Maße zuverlässig sein. Faktoren, die für das Aufrechterhalten einer hohen Zuverlässigkeit unter harten Umgebungsbedingungen eine große Bedeutung haben, sind die mechanischen Eigenschaften, z. B. die Abscherfestigkeit und die thermische Dauerfestigkeit in einem Abschnitt, wo die Schaltung Lötverbindungen aufweist. Bei der vorgenannten Flip-Chip-Befestigungsmethode weisen die Abschnitte, wo die Halbleiterelemente an der Oberfläche der Isolierplatte mittels Lötmetallhöckern mit den Leitungen der Platte verbunden sind, eine hervorragende Abscherfestigkeit und thermische Dauerfestigkeit auf. Diese spielen zur Aufrecht erhaltung der Zuverlässigkeit der elektronischen Vorrichtun gen, die für eine Montage in Fahrzeugen vorgesehen sind, eine wichtige Rolle. Auch unter diesem Gesichtspunkt muß die Leiterplatte, an der das Halbleiterelement durch Flip-Chip- Befestigung angebracht ist, in dem Bereich, in welchem das Halbleiterelement befestigt wird, eine sehr flache Oberfläche haben.

Bei den üblichen Leiterplatten haben jedoch die elektrisch isolierenden Keramiken, welche die Isolierplatte bilden, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der von jenem der Leitungen der Platten sehr verschieden ist. Dies macht es schwierig, ein hohes Maß an Flachheit beizubehalten. Das heißt, die vorgenannte Leiterplatte wird dadurch hergestellt, daß auf eine keramische grüne Platte, die an vorgegebenen Stellen Durchgangslöcher aufweist, entsprechend einem vorgegebenen Leitungssystem (Leitungsmuster) eine elektrisch leitende Paste aufgebracht wird, die Durchgangslöcher damit gefüllt werden und nach Bedarf diese grünen Platten übereinander laminiert werden sowie nachfolgend die grünen Platten und die elektrisch leitende Paste gleichzeitig gebrannt werden. Aufgrund des Kontraktionsunterschieds zwischen den grünen Platten und der elektrisch leitenden Paste während der Brennstufe verwirft sich jedoch die Leiterplatte bzw. Isolierplatte oder wellt sich. Dies macht es schwierig, in hohem Maße flach ausgebildete Leiterplatten in guter Ausbeute herzustellen.

Zur Lösung dieses Problems beschreiben die japanische geprüfte Patentveröffentlichung (Kokoku), 25277/1990 und die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 31368/1992 Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte durch gleichzeitiges Brennen einer keramischen grünen Platte und einer elektrisch leitenden Paste und durch erneutes Brennen dieser Teile, während eine gleichmäßige Belastung mit Hilfe einer geeigneten Einspannvorrichtung ausgeübt wird. Bei einem solchen Verfahren muß jedoch das Brennen mehrere Male wiederholt und unter Benutzung einer Einspannvorrichtung oder ähnlichem eine gleichmäßige Belastung ausgeübt werden. Dies bedeutet einen beschwerlichen Betriebsablauf und führt zu einem Anstieg der Herstellungskosten sowie einer wesentlichen Verschlechterung der Produktionsleistung. Hinzu kommt, daß die Oberflächenstruktur der für das Ausüben der Belastung eingesetzten Einspannvorrichtung auf die Oberfläche der Isolierplatte übertragen wird und beeinträchtigt somit die Flachheit dieser Platte. Ferner treten durch den Kontakt mit der Einspannvorrichtung in dem Leitungssystem, das mittels der elektrisch leitenden Paste ausgebildet worden ist, Brüche auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitungsplatte zur Flip-Chip-Befestigung bereitzustellen, die wirksam verhindert, daß sich die Isolierplatte verwirft oder wellig wird, und die einen sehr hohen Grad an Flachheit aufweist sowie leicht hergestellt werden kann.

Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Leiterplatte zur Flip-Chip-Befestigung eines Halbleiterelements mit einer Anzahl von Elektroden für eine Flip-Chip-Verbindung zur Verfügung, die kreisförmig entlang der Umfangskante der unteren Oberfläche des Halbleiterelements angeordnet sind.

Die Leiterplatte ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine keramische Isolierplatte mit einem Oberflächenbereich zum Befestigen des genannten Halbleiterelements und ein Leitungssystem (Leitungsmuster) aufweist, das mit den erwähnten Elektroden verbunden wird,
wobei das Leitungssystem Leitungswege in einer Anzahl aufweist, die den Flip-Chip-Verbindungselektroden des durch eine Flip-Chip-Befestigung angebrachten Halbleiterelements entspricht, und wobei jeder Leitungsweg des Leitungssystems einen horizontalen Leiterdurchgang, der sich in horizontaler Richtung im Innern der Isolierplatte erstreckt, und einen Durchgang eines Durchkontaktierungsleiters, der sich von einem Ende des horizontalen Leiterdurchgangs nach oben zu dem genannten Oberflächenbereich erstreckt, aufweist, wobei die Enden der Durchgänge der Durchkontaktierungsleiter und die horizontalen Leiterdurchgänge derart in Kreisform angeordnet sind, daß sie den genannten Flip-Chip-Verbindungselektroden des Halbleiterelements entsprechen, und wobei bei Betrachtung der Isolierplatte von oben in dem durch die Enden der Durchgänge der Durchkontaktierungsleiter und die horizontalen Leiterdurchgänge festgelegten Raum kein horizontaler Leiterdurchgang ausgebildet ist, sowie
auf der Isolierplatte in einem Abschnitt innerhalb des genannten Oberflächenbereichs oder an der Unterseite des genannten Oberflächenbereichs eine Leiterschicht ausgebildet ist, und beim Betrachten der Isolierplatte von oben die genannte Leiterschicht in dem Raum angeordnet ist, der durch die Enden der erwähnten Durchgänge der Durchkontaktierungs leiter und die horizontalen Durchgangsleiter festgelegt ist, sowie zwischen der Leiterschicht und den horizontalen Leiter durchgängen oder den Durchgängen der Durchkontaktie rungsleiter eine Lücke von nicht kleiner als 50 µm vorliegt.

Die Leiterplatte zur Flip-Chip-Befestigung gemäß der vorliegenden Erfindung weist mit der Leiterschicht an der Oberfläche der Isolierplatte oder in ihrem Innern ein spezielles Merkmal auf. Die Leiterschicht ist von dem auf der Isolierplatte ausgebildeten Leitungssystem elektrisch unab hängig. Das heißt, die Leiterschicht liegt in dem Ober flächenbereich der Isolierplatte vor, auf dem das Halbleiter element durch Flip-Chip-Befestigung angebracht ist, oder an der Unterseite der Platte. Wenn die Isolierplatte von oben betrachtet wird, ist die Leiterschicht in einem Abschnitt ausgebildet, wo sich kein Leitungssystem befindet, und die Lücke zwischen der Leiterschicht und dem Verdrahtungssystem beträgt mindestens 50 µm. Durch das Vorsehen der Leiterschicht ist es möglich, eine Deformation, z. B. ein Verwerfen oder ein Welligwerden, der Platte wirksam zu ver meiden, das von einem Unterschied in den thermischen Expansionen des das Leitungssystem bildenden elektrisch leitenden Materials und der isolierenden Keramik, z. B. des die Isolierplatte bildenden Aluminiumoxid-Sinterprodukts, herrührt. Deshalb weist die Leiterplatte der vorliegenden Erfindung einen sehr hohen Flachheitsgrad auf, und das Flip- Chip-Befestigen macht es möglich, bei den Verbindungen in den Abschnitten, in denen das Halbleiterelement durch Löten mit der Leiterplatte verbunden ist, einen hohen Grad an Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten. Daneben ist wichtig, daß die Leiterschicht durch Aufbringen einer Paste, die ein vorgegebenes elektrisch leitendes Material wie andere Leiterplatten enthält, auf die Oberfläche der keramischen grünen Platte, bevor sie gebrannt wird, und durch gleichzeitiges Brennen der Paste und der grünen Platte leicht hergestellt wird. Deshalb wird die elektrisch leitende Schicht ohne das Erfordernis einer zusätzlichen Brennstufe gebildet. Somit entstehen keine höheren Herstellungskosten, und es ist keine mühsame Arbeit erforderlich. Dies bedeutet allein aus der Sicht der Produktion einen großen Vorteil.

Die Erfindung wird durch die beigefügten Zeichnungen erläu tert. Es zeigen

Fig. 1 eine Darstellung, die in einem Querschnitt den Aufbau einer Leiterplatte zur Flip-Chip-Befestigung gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, zusammen mit einem darauf aufgebrachten Peripher-Halbleiterelement; und

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Hauptabschnitt der in Fig. 1 dargestellten Leiterplatte.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist die erfindungsgemäße Leiterplatte mit einer Isolierplatte 1 ausgerüstet, die aus einer isolierenden Keramik, z. B. einem Sinterprodukt aus Aluminiumoxid, hergestellt ist. In der Oberfläche der Isolierplatte 1 ist ein als Ausnehmung ausgebildeter Abschnitt 3 zum Befestigen eines Peripher-Halbleiterelements 2 vorgesehen. Ferner liegt auf der Isolierplatte 1 ein Leitungssystem vor, das aus einer Anzahl von Leitungswegen 4 besteht. Jeder Leitungsweg umfaßt einen ersten Leiterdurchgang mit Durchkontaktierung 5, der sich bis zum Boden des als Ausnehmung abgebildeten Abschnitts 3 in der Oberfläche der Platte 1 erstreckt, einen horizontalen Leiterdurchgang 6, der sich in der Platte 1 in horizontaler Richtung erstreckt, und einen zweiten Leiterdurchgang mit Durchkontaktierung 7, der sich bis zur Bodenoberfläche der Platte 1 erstreckt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist ein Ende des horizontalen Leiterdurchgangs 6 mit dem ersten Leiterdurchgang mit Durchkontaktierung 5 verbunden, und das andere Ende des horizontalen Leiterdurchgangs 6 ist mit dem zweiten Leiter durchgang mit Durchgangskontaktierung 7 verbunden. Bei Bedarf ist am Unterende des zweiten Leiterdurchgangs mit Durch kontaktierung 7 eine Verbindungselektrode, z. B. ein Leiter zwischenstück, vorgesehen, und über die Verbindungselektrode wird ein Leitungsweg zu einer externen Schaltungsplatte hergestellt.

Das an der Leiterplatte befestigte Peripher-Halbleiterelement 2 weist eine Anzahl von Verbindungselektroden 10 auf, die kreisförmig entlang der Umfangskante an der unteren Ober fläche der Platte angeordnet sind, wobei jede Verbindungs elektrode 10 mit einem Lötmetallhöcker 11 versehen ist. Beispiele für ein derartiges Halbleiterelement sind ein Chip mit integrierter Schaltung (IC-Chip), ein Leistungschip mit integrierter Schaltung und ähnliche Chips, die im allgemeinen verwendet werden. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Verbindungselektroden 10 des Halbleiterelements 2 mit den oberen Enden des ersten Leiterdurchgangs mit Durchkontaktie rung 5 über Lötmetallhöcker 11 verbunden, so daß das Halb leiterelement 2 an der Leiterplatte durch Flip-Chip- Befestigung angebracht ist. Hinsichtlich einer Verbesserung der Zuverlässigkeit in dem Verbindungsabschnitt, der durch den Lötmetallhöcker 11 gebildet wird, ist deshalb die Flachheit der Bodenoberfläche des als Ausnehmung abgebildeten Abschnitts 3 in der Isolierplatte 1 ein sehr wichtiger Faktor. Ferner kann bei Bedarf eine Verbindungselektrode, die aus einem Leiterzwischenstück oder ähnlichem besteht, am oberen Ende des ersten Leiterdurchgangs mit Durchkontak tierung 5, der mit dem Lötmetallhöcker 11 verbunden ist, vor gesehen sein. Nachdem das Halbleiterelement 2 befestigt worden ist, wird eine (nicht dargestellte) Hülle aus Metall oder einer Keramik derart angebracht, daß der als Ausnehmung ausgebildete Abschnitt 3 verschlossen wird, und das Halbleiterelement 2 wird innerhalb dieses Abschnitts 3 luftdicht versiegelt. Es ist natürlich möglich, das Halbleiterelement 2 auf einer flachen Oberfläche der Isolierplatte 1 zu befestigen, ohne den als Ausnehmung ausgebildeten Abschnitt 3 vorzusehen, und das Halb leiterelement 2, das mit der Hülle angebracht wird, luftdicht zu verschließen.

Aus Fig. 2 ist insbesondere ersichtlich, daß das in der Isolierplatte gebildete Leitungssystem aus Leitungswegen 4 in einer Anzahl besteht, die den Verbindungselektroden 10 des Halbleiterelements 2 entspricht, und daß die ersten Leiter durchgänge mit Durchkontaktierung 5 der Leitungswege 4 über Lötmetallhöcker 11 mit den Verbindungselektroden 10 des Halb leiterelements 2 verbunden sind. Deshalb sind die Enden an einer Seite der ersten Leiterdurchgänge mit Durchkontak tierung und der horizontalen Leiterdurchgänge 6 in Positionen angeordnet, die den Verbindungselektroden 20 entsprechen. Wie Fig. 2 zeigt, liegt deshalb in dem Raum in der Isolierplatte 1, der durch die ersten Leiterdurchgänge mit Durchkontaktie rung usw. festgelegt ist, kein Leitungssystem vor.

Bei der vorliegenden Erfindung ist in dem Raum, wo kein Leitungssystem vorhanden ist, eine Leiterschicht 20 ausgebil det, die von dem Leitersystem elektrisch unabhängig ist. Dadurch, daß die Leiterschicht 20 vorgesehen ist, wird es möglich, eine Deformation, z. B. ein Verwerfen oder ein Welligwerden, das von einem Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des elektrisch leitenden Materials, welches das Leitungssystem bildet, und des Sinterprodukts, welches die Isolierplatte 1 bildet, herrührt, zu verhindern. Das heißt, wenn auf der Oberfläche der keramischen grünen Platte unter Einsatz einer elektrisch leitendes Material enthaltenden Paste ein vorgegebenes Leitungssystem (Leitungsmuster) ausgebildet wird sowie die leitende Paste und die grüne Platte gleichzeitig gebrannt werden, verwirft sich das erhaltene Sinterprodukt (die Isolierplatte) oder sie wird wellig, und zwar aufgrund eines Unterschieds in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Teile. Jedoch wird bei Ausbildung der Leiterschicht 20 an der vorgenannten Stelle eine solche Deformation wirksam unterdrückt. Obwohl der Grund hierfür nicht geklärt ist, wird angenommen, daß die unter der Leiterschicht 20 vorliegende Keramik aufgrund der Leiterschicht 20 an einer Kontraktion beim Brennen gehindert und im Ergebnis eine Deformation der Oberfläche der Platte 1 unterdrückt wird.

Bei Betrachtung von oben, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, hält im Falle der Erfindung die Leiterschicht 20 eine Lücke (entspricht einer Lücke bezüglich des ersten Leiterdurchgangs mit Durchkontaktierung) von nicht weniger als 50 µm, bezogen auf die Leiterwege 4, welche das Leitungssystem bilden, aufrecht. Das heißt, die Leiterschicht 20 hält eine Lücke von nicht weniger als 50 µm aufrecht, selbst in einer Position, in der die Leiterschicht 20 und das Leitungssystem einander am nächsten sind. Wenn die Lücke kleiner als 50 µm ist, neigen die Leiterschicht 20 und das Leitungssystem zur Erzeu gung eines Kurzschlusses. Das heißt, obwohl die Schaltung unmittelbar nach der Herstellung der Leiterplatte gut funktionieren kann, ist es möglich, daß dann, wenn die Vor richtung wiederholt während längerer Zeiträume benutzt worden ist, aufgrund thermischer Hysterese zwischen der Leiter schicht 20 und dem Leitungssystem ein Kurzschluß entsteht.

Wenn andererseits die Lücke zwischen der Leiterschicht 20 und dem Leitungssystem zu groß ist, geht die Wirkung zur Unterdrückung der Deformation verloren. Es ist deshalb erwünscht, daß die Leiterschicht 20 eine ebene Gestalt auf weist, die so groß wie möglich ist, jedoch eine Lücke von nicht kleiner als 50 µm aufrechterhalten bleibt. Im allgemei nen sind die Verbindungselektroden 10 des Halbleiterelements 2 in rechteckiger oder quadratischer Form angeordnet, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Deshalb ist es unter dem Gesichts punkt eines leichten Einstellens der Position bevorzugt, daß die Leiterschicht 20 eine rechteckige oder quadratische ebene Form aufweist. Wenn die Diagonale des Rechtecks, das durch die Leiterschicht 20 gebildet wird, eine Länge L₁ hat und die Diagonale des Rechtecks, das durch die Verbindungselektroden 10 gebildet wird, eine Länge L₂ hat, ist es bevorzugt, daß das Verhältnis L₁/L₂ nicht kleiner als 0,4 ist.

Soweit die vorgenannten Bedingungen erfüllt sind, kann die Leiterschicht 20 an jeder Stelle vorgesehen sein. Jedoch ist es im allgemeinen bevorzugt, daß die Leiterschicht 20 in einer Tiefe von nicht mehr als 750 µm von der Bodenoberfläche des als Ausnehmung ausgebildeten Abschnitts 3 ausgebildet wird. Wenn die Leiterschicht 20 an einer Stelle eingerichtet wird, die zu tief liegt, kann die Wirkung des Unterdrückens der Deformation oft in nicht ausreichendem Maße erzielt werden. Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Leitungsdichte gemäß der vorliegenden Erfindung ist es sehr bevorzugt, die Leiterschicht 20 an einer Ebene vorzusehen, die mit den horizontalen Leiterdurchgängen 6 der Leiterwege 4, welche das Leitungssystem bilden, bündig ist. Die Leiterschicht 20 kann geerdet sein, soweit sie von dem Leitungssystem unabhängig ist.

Die vorgenannte Leiterplatte der gegebenen Erfindung kann nach einem bekannten Verfahren, mit Ausnahme der Bildung der Leiterschicht 20, hergestellt werden.

Beispielsweise wird als Material zur Bildung der Isolier platte 1 ein gesintertes Pulver aus Aluminiumoxid oder ähnli ches verwendet, wobei ein Pulver eines Sinterhilfsmittels, wie MgO oder CaO, sowie ein Füllstoff, wie SiO₂ oder ähnli ches, zugegeben wird. Das erhaltene gemischte Pulver wird mit einem organischen Bindemittel, einem Weichmacher und einem Lösungsmittel versetzt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Unter Einsatz dieser Aufschlämmung wird mittels eines Plat tenformungsverfahrens, zum Beispiel eines Rakelverfahrens, Kalanderwalzenverfahrens oder Extrusionsformungsverfahrens, ein plattenähnlicher Formgegenstand (grüne Platte) hergestellt. In der grünen Platte werden an vorgegebenen Stellen Durchgangslöcher erzeugt und gleichzeitig wird mittels eines Siebdruck- oder Tiefdruckverfahrens die leitende Paste auf die Stellen aufgebracht, die den horizontalen Leiterdurchgängen 6 und der Metallschicht 20 entsprechen. Ferner werden die Durchgangslöcher mit der leitenden Paste gefüllt. Auf die so hergestellte grüne Platte wird eine andere grüne Platte mit einer Gestalt, welche der oberen Oberfläche der Isolierplatte 1 entspricht, in einer Weise aufgebracht, daß die Durchgangslöcher fluchten. Die grünen Platten werden dann gleichzeitig gebrannt, um die gewünschte Leiterplatte herzustellen.

Das Brennen erfolgt in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, zum Beispiel in einem inerten Gas, wie Stickstoff, Argon usw., oder in einem Gemisch aus diesen inerten Gasen und Wasserstoff. Die Brenntemperatur kann in Abhängigkeit von der Art des eingesetzten gesinterten Pulvers unterschiedlich sein. Wenn jedoch Aluminiumoxid benutzt wird, wird die Sintertemperatur auf etwa 1500 bis etwa 1700°C eingestellt.

Als leitende Paste zum Ausbilden der Leiterschicht 20 oder der horizontalen Leiterdurchgänge 6 oder als leitende Paste zum Herstellen der Leiterdurchgänge mit Durchkontaktierung, die in die Durchgangslöcher eingefüllt wird, kann bei spielsweise als Hauptkomponente ein hochschmelzendes Metall pulver, zum Beispiel aus Wolfram, Molybdän oder Mangan, ver wendet werden, dem ein organisches Bindemittel, ein Weich macher und ein Lösungsmittel zugemischt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, eine lei tende Paste zum Ausbilden der Leiterschicht 20 und eine lei tende Paste zum Herstellen der horizontalen Leiterdurchgänge 5 einzusetzen, die ein Brennkontraktionsverhältnis S₁/S₂ auf weisen, das durch die folgende Formel dargestellt wird,

Brennkontraktionsverhältnis = S₁/S₂

worin S₁ den Volumenkontraktionskoeffizienten der gebrannten Platte bedeutet, die erhalten wurde durch Brennen einer Platte, die aus einer elektrisch leitendes Material enthal tenden Paste zum Ausbilden einer Leiterschicht mit einer Dicke von 100 µm bei einer Temperatur, welche gleich der Brenntemperatur zur Herstellung der Isolierplatte ist, herge stellt worden ist, und S₂ den Volumenkontraktionskoeffizien ten einer gebrannten Platte bedeutet, die erhalten wurde durch Brennen einer Platte, die aus einer ein elektrisch lei tendes Material enthaltenden Paste zur Herstellung von hori zontalen Leiterdurchgängen mit einer Dicke von 100 µm bei einer Temperatur, welche gleich der Brenntemperatur zur Aus bildung der Isolierplatte ist, gebildet worden ist, und einen Wert von 0,6 bis 1,4, insbesondere einen Wert von 0,8 bis 1,0, aufweist. Das heißt, das Herstellen der Leiter schicht 20 und der horizontalen Leiterdurchgänge 5 unter Ein satz von leitenden Pasten unterschiedlicher Zusammensetzungen derart, daß das Brennkontraktionsverhältnis innerhalb des obengenannten Bereiches liegt, ist unter dem Gesichtspunkt des Verlängerns der thermischen Dauerfestigkeit der Leiter platte und der Erhöhung der Festigkeit der Bereiche mit Löt verbindungen wünschenswert. So kann die Leiterplatte mit großem Nutzen für verschiedene elektronische Vorrichtungen verwendet werden, die insbesondere zum Einbau in ein Fahrzeug dienen.

Um das Brennkontraktionsverhältnis derart einzustellen, daß es innerhalb des obengenannten Bereichs liegt, kann ein Nitrid von Ti, V, Nb oder Ta oder ein Oxid, wie Al₂O₃, der leitenden Paste in einer Menge zugegeben werden, die keine Erhöhung des elektrischen Widerstands in einem Maße bewirkt, daß eine schlechte Leitung der Schaltung resultiert. Das heißt, daß der Kontraktionskoeffizient beim Brennen abnimmt, wenn die Menge des zugemischten Nitrids oder Oxids zunimmt. Wenn davon Gebrauch gemacht wird, wird deshalb der Kontrak tionskoeffizient beim Brennen derart eingestellt, daß er innerhalb des obengenannten Bereichs liegt.

Bei der so erhaltenen Leiterplatte wird eine Deformation, zum Beispiel ein Verwerfen oder ein Welligwerden, wirksam unter drückt. Insbesondere weist die Platte eine sehr gute flache Oberfläche auf, wo das Halbleiterelement aufgebracht wird. Deshalb erlaubt es die Leiterplatte, daß das Halbleiterele ment in sehr günstiger Weise mittels einer Flip-Chip-Befesti gung angebracht wird, wobei eine hohe Zuverlässigkeit in den Bereichen der Flip-Chip-Verbindungen aufrechterhalten wird. Die Leiterplatte ist für Halbleiterbauteile und hybride inte grierte Schaltungen, die in verschiedenen elektronischen Vor richtungen benutzt werden, welche an Fahrzeugen befestigt werden, sehr nützlich.

Die. Erfindung wird nachfolgend durch ein Ausführungsbeispiel erläutert.

BEISPIEL

Es wurde durch Zugabe eines bekannten organischen Bindemit tels, eines Weichmachers und eines Lösungsmittels zu einem Ausgangspulver, das als Hauptkomponente Al₂O₃ enthielt und dem ein Sinterhilfsmittel, wie SiO₂, Mgo oder CaO zugegeben worden war, eine Aufschlämmung hergestellt. Aus dieser Auf schlämmung wurde nach einer bekannten Bandformungsmethode eine keramische grüne Platte mit einer Dicke von etwa 300 µm hergestellt. Dann wurden in der keramischen grünen Platte durch Stanzen Durchgangslöcher ausgebildet.

Andererseits wurden Aluminiumoxidteilchen in einer geeigneten Menge einem Pulver zugegeben, das ein hochschmelzendes Metall, wie W oder Mo, als Hauptkomponente enthielt. Dazu wurden ferner ein bekanntes organisches Bindemittel, ein Weichmacher und ein Lösungsmittel hinzugefügt. Anschließend wurde das Gemisch in einer Knetvorrichtung bearbeitet, um eine leitende Grundpaste herzustellen.

Ferner wurde in der leitenden Grundpaste die Menge des Alumi niumoxids eingestellt, um eine leitende Paste zum Ausbilden eines Leitungssystems und einer leitenden Schicht mit unter schiedlichen Kontraktionskoeffizienten beim Brennen herzu stellen.

Die Kontraktionskoeffizienten der vorgenannten leitenden Pasten beim Brennen wurden dadurch gefunden, daß die leiten den Pasten in Form einer Platte mit einer Dicke von 100 µm unter den gleichen Bedingungen wie beim Brennen der Leiter platte, die unten beschrieben wird, gebrannt sowie unter Ver wendung eines Mikroskops, das mit einem Mikrometer ausgerü stet war, die Veränderungen in den Größen vor und nach dem Brennen gemessen wurden.

Anschließend wurde nach dem Siebdruckverfahren in einem Muster, das den horizontalen Leiterdurchgängen entsprach, die leitende Paste zur Bildung des Leitungsmusters auf die kera mische grüne Platte aufgebracht, wobei im Mittelabschnitt ein quadratischer Raum, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ausge bildet wurde. Dann wurden die Durchgangslöcher mit der lei tenden Paste gefüllt, um das Leitungssystem herzustellen, wobei nach dem Aufladungsverfahren vorgegangen wurde.

In dem quadratischen Raum, der in der Mitte durch das Muster gebildet wurde, das den horizontalen Leiterdurchgängen 6 ent sprach, wurden an den entsprechenden Stellen eine keramische grüne Platte mit einem Leiterschichtmuster von quadratischer Form, das unter Verwendung der Paste zum Ausbilden der Lei terschicht gebildet worden ist, und eine keramische grüne Platte, die nur Durchgangslöcher aufwies, welche mit der Paste zum Ausbilden des Leitungsmusters an vorgegebenen Stel len gefüllt waren, und die weder das Muster des horizontalen Leiterdurchgangs noch das Muster der Leiterschicht aufwies, hergestellt.

Durch Verbinden der vorgenannten grünen Platten in fünf Schichten wurde ein Laminat hergestellt und in einer reduzierenden Atmosphäre eines Gasgemisches aus Wasserstoff und Stickstoff bei einer Temperatur von 1600°C gebrannt, um eine Leiterplatte mit einer Dicke von etwa 1,25 mm herzustellen. Die nachfolgende Tabelle I zeigt die Stellen der Leiterschichten und der horizontalen Leiterdurchgänge, die Lücken X zwischen den Leiterschichten und den horizontalen Leiterdurchgängen, die Verhältnisse der Länge L₂ der Diagonalen der Quadrate, die in der Mitte durch die horizontalen Leiterdurchgänge gebildet wurden, zur Länge L₁ der Diagonalen der Leiterschichten sowie die Brennkontraktionsverhältnisse S₁/S₂.

Die Stellen der Leiterschichten und der horizontalen Leiter durchgänge wurden durch die Nummern der Schichten bezeichnet, in denen sie gebildet wurden, gezählt von der Oberseite aus. Die Lücken X sind jene an den Stellen, wo sich die beiden am nächsten kommen, betrachtet von der Oberseite aus, wie in Fig. 2 dargestellt ist. In der Leiterplatte der Probe 22 wurde keine Leiterschicht gebildet.

Tabelle I

Die Leiterplatten wurden hinsichtlich ihrer Flachheit an ihren Oberflächen, ihrer Abscherfestigkeit in Bereichen mit Flip-Chip-Verbindung und ihrer thermischen Dauerfestigkeit in den Bereichen mit Flip-Chip-Verbindung überprüft. Auf der Grundlage der Prüfungsergebnisse wurden die Vorrichtungen insgesamt unter dem Gesichtspunkt einer Langzeitzuverlässig keit der Bereiche, in denen elektrische Verbindungen vorliegen, für den Gebrauch der Vorrichtungen nach dem Einbau in ein Fahrzeug bewertet.

Bewertung des Ausmaßes der Flachheit

Es wurde ein Kontakt-Oberflächenrauhheitsmesser, der mit einem Meßfühler mit einem Krümmungsradius von 5 µm am Ende ausgerüstet war, zum Messen der maximalen Versetzung durch Abtasten der Oberfläche der Leiterplatte mit dem Meßfühler entlang der Diagonalen eingesetzt. Es wurde auch eine Bezugs leiterplatte hergestellt, die weder die Leiterschicht noch das Leitungssystem aufwies, sondern nur Elektroden für eine Flip-Chip-Verbindung und Leitungszwischenstücke zum Prüfen der elektrischen Leitung. Die Herstellung der Bezugsleiter platte erfolgte in der oben beschriebenen Weise. Auch diese Bezugsleiterplatte wurde bezüglich der maximalen Versetzung an der Oberfläche in der gleichen Weise, wie oben beschrie ben, vermessen.

Die maximale Versetzung der Bezugsleiterplatte wurde als Bezugsversetzung betrachtet. Es wurde jeweils das Verhältnis der maximalen Versetzung der zu prüfenden Leiterplatte zur Bezugsversetzung berechnet. Auf der Grundlage dieses Verhält nisses wurde der Grad der Flachheit bewertet. Je kleiner das Verhältnis ist, desto besser ist der Flachheitsgrad.

Bewertung der Abscherfestigkeit von Bereichen mit Flip-Chip- Verbindung

Mit jeder der zu prüfenden Leiterplatte wurde ein Peripher- Siliciumchip mittels der Flip-Chip-Methode über Lötmetall höcker verbunden.

Die Leiterplatte wurde befestigt, und eine Kraft wurde auf die Seitenoberfläche des an der Leiterplatte befestigten Siliciumchips ausgeübt, und zwar unter Verwendung eines Gegentaktmeßgeräts in einer Richtung parallel zur Leiter platte, um die Abscherfestigkeit zu messen, bei welcher der Siliconchip von der Leiterplatte abgeschält wird. Auch bei der Bezugsleiterplatte wurde die Abscherfestigkeit in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, gemessen und als Bezugsabscherfestigkeit betrachtet.

Es wurde jeweils das Verhältnis der Abscherfestigkeit, die an den zu prüfenden Leiterplatten gemessen wurde, zur Bezugsabscherfestigkeit bestimmt. Auf der Grundlage dieses Verhältnisses wurde jeweils die Abscherfestigkeit bewertet.

Thermische Dauerfestigkeit der Bereiche mit Flip-Chip-Ver bindung

Die Leiterplatten, an denen Siliconchips durch eine Flip- Chip-Befestigung angebracht waren, wurden einem Temperatur zyklus-Test unterworfen, bei dem ein Abkühlen auf -65°C und ein Erhitzen auf 150°C abwechselnd wiederholt wurden. Die elektrische Leitung der Bereiche mit Flip-Chip-Verbindung wurde jeweils nach 1000, 2000 und 3000 Zyklen geprüft, um die Bildung von Rissen in Bereichen mit einer Verbindung und die thermische Dauerfestigkeit zu bewerten.

Aus der Tabelle II ist ersichtlich, daß sich im Fall der Pro be Nr. 22 des Vergleichsbeispiels die Leiterplatte zweimal so stark verworfen hatte wie im Fall der Bezugsverwerfung, die Abscherfestigkeit nur das 0,6fache der Bezugsabschäl festigkeit betrug, die elektrische Leitung nach 2000 Zyklen verloren war und die thermische Dauerfestigkeit nur sehr kurz anhielt. Im Fall der Probe Nr. 1, die außerhalb der vorlie genden Erfindung liegt, betrug die Lücke zwischen dem Lei tungssystem und der Elektrode für den Anschluß des Leitungs kreises weniger als 50 µm, und es trat ein Kurzschluß ein. Deshalb ist die Probe Nr. 1 als Leiterplatte unbrauchbar.

Andererseits zeigten alle Leiterplatten gemäß der vorliegenden Erfindung zufriedenstellende Eigenschaften hinsichtlich der Verwerfung, der Abscherfestigkeit sowie der thermischen Dauerfestigkeit und waren in der Praxis einsetzbar.

Aus der Tabelle II ist auch zu ersehen, daß das Verwerfen der Oberfläche der Isolierplatte, auf der das Halbleiterelement befestigt ist, durch Verändern der Position der Leiterschicht und Steuern des Kontraktionskoeffizienten beim Brennen dieser Schicht, die in einem Bereich unter dem Abschnitt vorliegt, wo das Halbleiterelement angebracht ist, eingestellt werden kann.

Claims

1. Leiterplatte zur Flip-Chip-Befestigung eines Halbleiter elements mit einer Anzahl von Flip-Chip-Verbindungselek troden, die kreisförmig entlang der Umfangskante an der unteren Oberfläche des Halbleiterelements angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiterplatte eine keramische Isolierplatte mit einem Oberflächenbereich zum Befestigen des genannten Halbleiterelements und ein Leitungssystem, das mit den erwähnten Flip-Chip-Verbindungselektroden verbunden wird, aufweist,
wobei das Leitungssystem Leitungswege in einer Anzahl aufweist, die den Flip-Chip-Verbindungselektroden des Halbleiterelements entspricht, und wobei jeder Leitungsweg des Leitungssystems einen horizontalen Leiterdurchgang, der sich in horizontaler Richtung inner halb der Isolierplatte erstreckt, und einen Durchgang eines Durchkontaktierungsleiters, der sich von einem Ende des horizontalen Leiterdurchgangs nach oben zu dem genannten Oberflächenbereich erstreckt, aufweist, wobei die Enden der Durchgänge der Durchkontaktierungsleiter und der horizontalen Leiterdurchgänge derart kreisförmig angeordnet sind, daß sie den Flip-Chip- Verbindungselektroden des Halbleiterelements entsprechen, und wobei bei Betrachtung der Isolierplatte von oben in dem durch die Enden der Durchgänge der Durchkontaktie rungsleiter und die horizontalen Leiterdurchgänge festge legten Raum kein horizontaler Leiterdurchgang ausgebildet ist, sowie
auf der Isolierplatte in einem Abschnitt innerhalb des genannten Oberflächenbereichs oder an der Unterseite des genannten Oberflächenbereichs eine Leiterschicht ausge bildet ist, und beim Betrachten der Isolierplatte von oben die genannte Leiterschicht in dem Raum angeordnet ist, der durch die Enden der erwähnten Durchgänge der Durchkontaktierungsleiter und die horizontalen Durch gangsleiter festgelegt ist, sowie zwischen der Leiter schicht und den horizontalen Leiterdurchgängen oder den Leiterdurchgängen mit Durchkontaktierung eine Lücke von nicht kleiner als 50 µm vorliegt.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschicht eine rechteckige oder quadratische ebene Gestalt aufweist.

3. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Leiterschicht in einem Bereich ausgebildet ist, der sich in einer Tiefe von höchstens 750 µm von der Oberfläche der Isolierplatte befindet.

4. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschicht in einer Ebene aus gebildet ist, die mit den horizontalen Leiterdurchgängen des Leitungssystems bündig ist.

5. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen Leiterdurchgänge und die Leiterschicht gleichzeitig durch Brennen einer Paste, die ein elektrisch leitendes Material enthält, und einer keramischen grünen Platte, welche die Isolierplatte bildet, hergestellt worden sind.

6. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschicht und die horizontalen Leiterdurchgänge unter Verwendung von Pasten hergestellt worden sind, die ein elektrisch leitendes Material enthalten, das ein Brennkontraktionsverhältnis S₁/S₂ erfüllt, welches durch die folgende Formel dargestellt wird
Brennkontraktionsverhältnis = S₁/S₂,
worin S₁ den Volumenkontraktionskoeffizienten einer gebrannten Platte bedeutet, die durch Brennen einer Plat te erhalten worden ist, die aus einer ein elektrisch lei tendes Material enthaltenden Paste zum Ausbilden einer Leiterschicht mit einer Dicke von 100 µm bei einer Tempe ratur, die gleich der Brenntemperatur zum Ausbilden der Isolierplatte ist, hergestellt worden ist, und S₂ den Volumenkontraktionskoeffizienten einer gebrannten Platte darstellt, die durch Brennen einer Platte erhalten worden ist, die aus einer ein elektrisch leitendes Material enthaltenden Paste zum Ausbilden von horizontalen Leiter durchgängen mit einer Dicke von 100 µm bei einer Tempera tur, die gleich der Brenntemperatur zum Ausbilden der Isolierplatte ist, hergestellt worden ist, sowie im Bereich von 0,6 bis 1,4 liegt.