DE19903602A1 - Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Keramiksubstrats - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Keramiksubstrats und insbe­ sondere auf ein Verfahren zum Herstellen eines monolithi­ schen Keramiksubstrats, auf dem eine hochintegrierte Halb­ leiterschaltung (auf die hierin im folgenden als LSI (LSI = Large-Scale Integrated circuit) Bezug genommen wird) und ei­ ne Chipkomponente oder dergleichen angebracht und miteinan­ der verdrahtet sind.

Derzeit werden, da ein monolithisches Substrat, das aus ei­ ner bei niedrigen Temperaturen gesinterten Glaskeramik be­ steht, entwickelt wurde, Gold, Silber, Kupfer, Palladium und Mischungen davon als leitfähige Materialien für eine leitfä­ hige Struktur verwendet. Diese Metalle besitzen einen nie­ drigeren leitfähigen Widerstand als Wolfram, Molybdän und dergleichen, die im Stand der Technik verwendet werden. Zu­ sätzlich ist eine Einrichtung zum Herstellen der oben er­ wähnten Substrate sicher und die Herstellungskosten können daher reduziert werden.

Ein typisches Verfahren zum Herstellen eines herkömmlichen monolithischen Keramiksubstrats wird im folgenden beschrie­ ben. Bei dem herkömmlichen Verfahren schrumpft das monoli­ thische Keramiksubstrat beim Brennen lediglich in der senk­ rechten Richtung jedoch nicht in der horizontalen Richtung. Zuerst wird ein organisches Bindemittel, das aus Polyvinyl­ butyral besteht, ein Weichmacher, der aus Di-n-Butyl-Phtha­ lat besteht, ein Lösungsmittel, das aus einer Mischung von 30 Gewichtsteilen Toluol und 70 Gewichtsteilen Isopropyl­ alkohol besteht, und eine Glaskeramik, die aus einer Mi­ schung von 50 Gewichtsteilen Bleiborsilikatglaspulver und 50 Gewichtsteilen Aluminiumoxidpulver besteht, gemischt, so daß ein Schlamm erhalten wird. Als nächstes wird der Schlamm einem Abstreichmesserverfahren unterzogen, um eine Schicht auf einem organischen Film zu bilden. Dann werden Durch­ gangslöcher bei vorbestimmten Positionen in der Schicht gebildet, um eine Glaskeramikgrünschicht zu bilden. Als nächstes wird die Glaskeramikgrünschicht einem Siebdrucken unterzogen, um die Durchgangslöcher einzubetten, und es wird eine leitfähige Struktur unter Verwendung einer leitfähigen Paste gebildet, bei der ein Träger aus Ethylzellulose, die in Terpineol gelöst ist, besteht, d. h. es wird ein organi­ sches Bindemittel zu einer anorganischen Komponente hinzu­ gefügt, die aus Ag-Pulver und einer Menge von 5 Gewichts­ prozent einer Glasurmasse besteht. Dann wird eine vorbe­ stimmte Anzahl von Schichten der resultierenden Glaskeramik­ grünschicht laminiert. Ferner wird eine weitere Keramik­ grünschicht, die das organische Bindemittel, das aus Po­ lyvinylbutyral besteht, den Weichmacher, der aus Di-n-Bu­ tyl-Phthalat besteht, das Lösungsmittel, das aus einer Mischung von 30 Gewichtsteilen Toluol und 70 Gewichtsteilen Isopropylalkohol besteht, und Aluminiumoxidpulver umfaßt, d. h. eine Keramik, die nicht durch eine Brennbehandlung ge­ sintert ist, auf zwei Seiten der oben erwähnten laminierten Grünschichten laminiert. Dann werden die Schichten einem Thermokompressionsverbinden bei einer Temperatur von 80°C und einem Druck von 200 kg/cm² unterzogen, um ein Verbund­ element zu bilden. Das Verbundelement wird dann zwischen Substraten mit 96% Aluminiumoxid geschichtet, zusammen­ gedrückt und in offener Luft bei einer Temperatur von 900°C eine Stunde lang in einem Bandofen gebrannt. Das organische Bindemittel in der leitfähigen Paste, das zum Einbetten der Durchgangslöcher und zum Bilden der leitfähigen Struktur verwendet wird, wird vollständig gebrannt, um während des Brennens Kohlendioxid und Wasser zu erzeugen, so daß ledig­ lich das Ag-Pulver gesintert wird.

Hinsichtlich des oben beschriebenen herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen des monolithischen Keramiksubstrats tritt je­ doch das folgendes Problem auf, da die leitfähige Paste zum Einbetten der Durchgangslöcher und zum Bilden der leitfähi­ gen Struktur verwendet wird.

Zuerst werden Poren in der leitfähigen Struktur gebildet, da das organische Bindemittel, das die leitfähige Paste auf­ weist, vollständig gebrannt wird, und lediglich das Ag-Pul­ ver gesintert wird. Als ein Resultat ist die leitfähige Struktur nicht dicht, was einen hohen Widerstand und eine Verschlechterung der Charakteristika bei hohen Frequenzen bewirkt.

Als nächstes wird, wenn die Dicke des aufgebrachten Films aus leitfähiger Paste zum Reduzieren des Widerstands groß genug gemacht wird, die Menge des organischen Bindemittels, das die leitfähige Paste aufweist, groß. Folglich ist es schwierig, daß die große Menge des organischen Bindemittels vollständig gebrannt wird, was während des Sinterns des Verbundelements eine Delaminierung, Leerräume oder derglei­ chen bewirkt.

Ferner schrumpfen die Glaskeramikgrünschicht und die leit­ fähige Paste während des Sinterns um 10 bis 20%. Da sich bei der Glaskeramikgrünschicht und der leitfähigen Paste die Starttemperaturen des Schrumpfens und die absoluten Schrumpfvolumina voneinander unterscheiden, tritt eine Delaminierung auf.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Keramiksub­ strats zu schaffen, das gute Charakteristika bei hohen Fre­ quenzen hat, und bei dem eine Delaminierung und das Auftre­ ten von Leerräumen verhindert werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Keramiksubstrats gemäß Anspruch 1 gelöst.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ver­ fahren zum Herstellen eines monolithischen Keramiksubstrats geschaffen, das folgende Schritte aufweist: Bilden einer Glaskeramikgrünschicht, die ein organisches Bindemittel, einen Weichmacher bzw. Plastifikator und eine Glaskeramik umfaßt; Laminieren einer gewünschten Anzahl von Schichten der Glaskeramikgrünschichten, wobei dieselben jeweils eine leitfähige Struktur aus einem Metallblatt oder Metalldraht aufweisen, die auf der Oberfläche der Glaskeramikgrünschicht vorgesehen ist; Laminieren einer Keramikgrünschicht, die ein organisches Bindemittel, einen Weichmacher und eine Keramik umfaßt, die nicht durch eine Brennbehandlung gesintert ist, auf mindestens einer Oberfläche der laminierten Glaskera­ mikgrünschichten; Durchführen der Brennbehandlung; und Ent­ fernen der Keramik, die nicht durch die Brennbehandlung ge­ sintert worden ist.

Ferner umfaßt bei dem Verfahren zum Herstellen eines mono­ lithischen Keramiksubstrats das Metallblatt oder der Metall­ draht eine Komponente, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Metall, z. B. Ag, Ni und Cu, und einer Legie­ rung, z. B. Ag-Bd und Ag-Pt, besteht.

Bei dem Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Kera­ miksubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung wird die leit­ fähige Struktur durch ein Metallblatt oder einen Metalldraht gebildet, so daß während des Sinterns des Verbundelements keine Poren in der leitfähigen Struktur gebildet werden. Da­ her kann der Widerstand der leitfähigen Struktur abgesenkt werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen ei­ nes monolithischen Keramiksubstrats gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des monolithischen Kera­ miksubstrats, das durch das in Fig. 1 gezeigte Ver­ fahren hergestellt ist.

Bezugnehmend auf die Zeichnungen wird ein Ausführungsbei­ spiel gemäß der vorliegenden Erfindung im folgenden be­ schrieben.

Fig. 1 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines monolithischen Keramiksubstrats gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Zuerst werden ein organisches Bindemittel, das aus Polyvi­ nylbutyral besteht, ein Weichmacher, der aus Di-n-Bu­ tyl-Phthalat besteht, ein Lösungsmittel, das aus einer Mischung von 30 Gewichtsteilen Toluol und 70 Gewichtsteilen Isopro­ pylalkohol besteht, und eine Glaskeramik, die aus einer Mischung von 50 Gewichtsteilen Bleiborsilikatglaspulver besteht, d. h. ein Glas und 50 Gewichtsteile Aluminiumoxid­ pulver, d. h. eine Keramik, gemischt, so daß ein Schlamm erhalten wird. Dann wird der Schlamm einem Abstreichmesser­ verfahren unterzogen, um eine Schicht auf einem organische Film zu bilden, um eine Glaskeramikgrünschicht zu bilden.

Bei dieser Prozedur werden die Schritte, die die Bildung ei­ nes Films, das Trocknen und das Schneiden umfassen, seriell ausgeführt. Ferner wird die Bildung von Durchgangslöchern je nach Bedarf seriell ausgeführt.

Als nächstes wird die Glaskeramikgrünschicht einem Sieb­ drucken unterzogen, um die Durchgangslöcher einzubetten, und um eine leitfähigen Struktur unter Verwendung einer leit­ fähigen Paste zu bilden, bei der ein Träger, der aus Etyhl­ zellulose, die in Terpineol gelöst ist, besteht, d. h. ein organisches Bindemittel, zu einer anorganischen Komponente hinzugefügt, die aus Ag-Pulver mit einer Menge von 5 Ge­ wichtsprozent Glasurmasse besteht. Dann wird eine leitfähige Struktur durch ein Metallblatt oder einen Metalldraht gebil­ det.

Zusätzlich gibt es für das Verfahren zum Bilden der leitfä­ higen Struktur durch das Metallblatt oder den Metalldraht weitere Verfahren, wie z. B. das thermische Drücken des geschnittenen Metallblatts oder des Metalldrahts auf die Glaskeramikgrünschicht, oder das Bilden einer Schaltungs­ struktur durch Aufdampfen, Sputtern, und Plattieren auf einem Harzfilm, oder das Ausführen eines thermischen Drückens auf die Glaskeramikgrünschicht.

Dann wird eine vorbestimmte Anzahl von Schichten der resul­ tierenden Glaskeramikgrünschicht laminiert. Ferner wird eine weitere Keramikgrünschicht, die das organische Bindemittel, das aus Polyvinylbutyral besteht, den Weichmacher, der aus Di-n-Butyl-Phthalat besteht, das Lösungsmittel, das aus ei­ ner Mischung von 30 Gewichtsteilen Toluol und 70 Gewichts­ teilen Isopropylalkohol besteht, und ein Aluminiumoxidpulver umfaßt, d. h. eine Keramik, die nicht durch eine Brennbe­ handlung gesintert worden ist, auf beide Seiten der oben erwähnten laminierten Grünschichten laminiert. Dann werden die Schichten einem Thermokompressionsverbinden bei einer Temperatur von 80°C und einem Druck von 200 kg/cm² unter­ zogen, um ein Verbundelement zu bilden. Die Glaskeramik­ grünschicht und die Keramikgrünschicht werden durch einen Ankereffekt oder dergleichen verbunden.

Zusätzlich wird das Verbundelement zwischen Substraten mit 96% Aluminiumoxid geschichtet, zusammengedrückt und bei offener Luft bei einer Temperatur von 900°C für eine Stunde in einem Bandofen gebrannt. Das Verbundelement, das durch die Glaskeramikgrünschichten gebildet ist, und die Keramik­ grünschichten tendieren dazu in der x-, y- und z-Richtung zu schrumpfen. Die Keramikschichten, die jedoch auf zwei Ober­ flächen des Verbundelements laminiert sind, setzen das Ver­ bundelement unter Spannung, so daß das Schrumpfen in der ho­ rizontalen Richtung auf einen Bereich von 0 bis 3% unter­ drückt wird, und lediglich das Schrumpfen in der senkrechten Richtung groß wird.

Eine Konfiguration des Verbundelements, das durch das oben beschriebene Verfahren gebildet ist, ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Verbundelement 13 ist durch Glaskeramikgrünschichten 11 und Keramikgrünschichten 12 aufgebaut. Leitfähige Strukturen 14 und Durchgangslöcher 15 sind im Inneren des Verbundele­ ments 13 gebildet.

Dann wird Aluminiumoxidpulver, das an zwei Oberflächen der laminierten Glaskeramikgrünschichten 11 befestigt ist, ent­ fernt. Während einer Brennbehandlung wird lediglich das Bin­ demittel aus den Keramikgrünschichten 12 eliminiert, die auf zwei Oberflächen der laminierten Glaskeramikgrünschichten 11 laminiert sind, wobei die Keramikgrünschichten 11 nicht ge­ sintert werden. Daher sind die Keramikgrünschichten 11 nach der Brennbehandlung signifikant brüchig, wobei lediglich das weiche Aluminiumoxid an den zwei Oberflächen der laminierten Glaskeramikgrünschichten 11 befestigt ist. Folglich kann das Aluminiumoxidpulver, das an den zwei Oberflächen der Glaske­ ramikgrünschichten 11 befestigt ist, ohne weiteres entfernt werden.

Wie im folgenden beschrieben, wird bei dem Verfahren zum Herstellen des monolithischen Keramiksubstrats gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die leitfähi­ ge Struktur durch das Metallblatt oder den Metalldraht ge­ bildet, so daß während des Sinterns des Verbundelements kei­ ne Poren in der leitfähigen Struktur gebildet werden, womit das Verbundelement durch ein dichtes Metall gebildet werden kann. Daher kann der Widerstand der leitfähigen Struktur ab­ gesenkt werden, und es wird ferner ein monolithisches Kera­ miksubstrat mit überlegenen Charakteristika bei hohen Fre­ quenzen erhalten.

Zusätzlich kann, da der Widerstand der leitfähigen Struktur abgesenkt werden kann, die Dicke des Films der leitfähigen Struktur im Vergleich zu dem Fall, bei dem eine leitfähige Paste, die ein Harz umfaßt, verwendet wird, klein werden.

Daher können zwei Oberflächen des monolithischen Keramiksub­ strats aufgrund der Dicke der leitfähigen Struktur weniger konkav-konvex sein, so daß aktive Bauelemente und passive Bauelemente an den zwei Oberflächen des monolithischen Ke­ ramiksubstrats exakt angebracht sein können.

Da die leitfähige Struktur durch das Metallblatt oder den Metalldraht gebildet ist, schrumpft die leitfähige Struktur nicht während des Sinterns des Verbundelements. Daher kann, da der Unterschied in einer Schrumpfrate zwischen den Glas­ keramikgrünschichten und der leitfähigen Struktur abgesenkt werden kann, eine Delaminierung oder das Auftreten von Leer­ räumen verhindert werden.

Da ferner ein komplexer Brennschritt, bei dem der Unter­ schied in der Schrumpfrate zwischen den Glaskeramikgrün­ schichten und der leitfähigen Struktur berücksichtigt wird, nicht notwendig ist, kann der Herstellungsprozeß des mono­ lithischen Keramiksubstrats vereinfacht werden. Folglich können die Herstellungskosten des monolithischen Keramiksub­ strats heruntergesetzt werden.

Da die leitfähige Struktur durch das Metallblatt oder den Metalldraht gebildet ist, kann zusätzlich eine Diffusion des Metalls, aus dem die leitfähige Struktur gebildet ist, ver­ hindert werden. Daher kann eine Verschlechterung des Isola­ tionswiderstands (auf den hierin im folgenden als IR Bezug genommen wird) und ein Wanderungsdefekt verhindert werden.

Da die Hauptkomponente des Metallblatts oder dem Metall­ drahts Ag ist, kann ferner der Leiterwiderstand abgesenkt werden, und eine Herstellungseinrichtung kann sicher sein, und die Herstellungskosten können gesenkt werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird Alumi­ niumoxidpulver als Keramik verwendet, aus der die Glaskera­ mikgrünschichten und die Keramikgrünschichten zusammenge­ setzt sind. Der gleiche Effekt kann erhalten werden, wenn Zirkonerdenpulver, Mullitpulver, Cordieritpulver oder For­ steritpulver verwendet wird.

Ferner ist bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Hauptkomponente des Metallblatts oder des Metalldrahtes Ag. Der gleiche Effekt kann erhalten werden, wenn die Haupt­ komponente des Metallblatts oder des Metalldrahts ein Me­ tall, z. B. Ni oder Cu, oder eine Legierung, z. B. Ag-Pd oder Ag-Pt, ist.

Ferner sind bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Keramikgrünschichten auf zwei Oberflächen der laminier­ ten Glaskeramikgrünschichten laminiert. Der gleiche Effekt kann erhalten werden, wenn die Keramikgrünschicht lediglich auf der oberen oder unteren Oberfläche der laminierten Glas­ keramikgrünschichten laminiert ist.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Keramik­ substrats mit folgenden Schritten:
Bilden einer Glaskeramikgrünschicht, die ein organi­ sches Bindemittel, einen Weichmacher und eine Glaske­ ramik aufweist;
Laminieren einer gewünschten Anzahl von Schichten der Glaskeramikgrünschichten, wobei jede derselben eine leitfähige Struktur aus einem Metallblatt oder einem Metalldraht aufweist, die auf der Oberfläche der Glas­ keramikgrünschicht vorgesehen ist;
Laminieren einer Keramikgrünschicht, die ein organi­ sches Bindemittel, einen Weichmacher und eine Keramik aufweist, die nicht durch eine Brennbehandlung gebrannt ist, auf mindestens einer Oberfläche der laminierten Glaskeramikgrünschichten;
Durchführen der Brennbehandlung; und
Entfernen der Keramik, die durch die Brennbehandlung nicht gesintert ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Substrats gemäß Anspruch 1, bei dem das Metallblatt oder der Me­ talldraht eine Komponente aufweist, die aus einer Grup­ pe ausgewählt ist, die aus einem Metall, wie z. B. Ag, Ni und Cu, und einer Legierung, wie z. B. Ag-Pd und Ag-Pt, besteht.