DE2242393C2

DE2242393C2 - Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Schaltungsanordnung aus elektrisch isolierenden Schichten

Info

Publication number: DE2242393C2
Application number: DE19722242393
Authority: DE
Inventors: Dexter Anthony Clinton Corners N.Y. Jeanotte; Alfred Harold Poughkeepsie N.Y. Johnson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-10-14
Filing date: 1972-08-29
Publication date: 1983-09-22
Also published as: FR2156408B1; JPS4846864A; FR2156408A1; DE2242393A1; JPS5517519B2; GB1363171A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen Schaltungsanordnung aus elektrisch isolierenden Schichten, bei welchem auf den Oberflächen der Schichten angeordnete Leitungsmuster durch in Bohrungen der Seichten angeordnete metallische Verbindungsstifte kontaktiert werden. Sie geht aus von einem bekannten Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Anordnung aus einem elektrisch isolierenden Material (US-PS 31 93 789), bei welcher zwischen den einzelnen Schichten metallische Leitungsmuster vorgesehtn sind, jie durch stiftförmige metallische Verbindungselemente in Öffnungen der Isolierschichten elektrisch miteinar> ir verbunden sind, mit jeweils zwei in axialer Richtung hintereinander angeordneten Verbindungselementen, die durch ein Material, das einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, miteinander fest verbunden sind.

Bei dem bekannten Verfahren werden die Verbindungselemente zur Herstellung einer Verbindung verlötet. Das schmelzbare Material der Lötverbindung hat einen so niedrigen Schmelzpunkt, daß im Betrieb der mehrschichtigen Anordnung, die vorzugsweise in stromführenden elektrischen Schaltungen Anwendung findet, höhere Temperaturgrade nicht zulässig sind.

Es ist ferner bekannt (US-PS 32 33 034), an Schaltungsträgerplatten, die aus einen¹ Isolierstoff bestehen, metallische elektrische Verbindungselemente mit einem metallischen Leitungsmuster derart zu verbinden, daß die Innenflächen von Durchgangsöffnungen der Schaltungsträgerplatte zunächst metallisch beschichtet werden. Durch die Anwendung von Druck und Temperatur wird sodann nach einem Diffusionsverfahren zur Herstellung einer festen temperaturbeständigen Verbindung das Metall eines Verbindungselementes in die metallische Beschichtung der Durchgangsöffnung eindiffundiert. Bei diesem Verfahren ist es notwendig, daß die Abmessungen der Durchgangsöffnungen und der in diese eingesetzten Verbindungselemente genau einzu-.haltende Toleranzen aufvyeisen. Diese Maßgenauigkeit •ist notwendig,um beim Einsetzen eines Verbindurigsele-."mentes in eine Dürchgangsöffnung den für das Diffusionsverfahren erforderlichen Radialdruck auf die Innenflächen der Durchgangsöffnungen zu erzeugen.
. Für die Herstellung der bekannten Einrichtung ist daher ein hoher Aufwand notwendig, um für die einzelnen Verbindungsstellen eine gleichbleibende Fe^

40 stigkeit zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das es in einfacher Weise gestattet, einen vorgeschriebenen Wert für den Wellenwiderstand der Leitungsmuster zu erreichen.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe der im Kennzeichen des Patentanspruchs genannten Merkmale gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert.

Die F i g. 1 stellt ein Schaltungsmodul mit mehreren dielektrischen Schichten 10, 12, 14 und 16 dar. Diese Schichten bestehen aus einem der bekannten dielektrischen Materialien, beispielsweise aus Epoxydglas. Eine elektrische Potentialebene umfaßt Kupferschichten 18 und 20 zwischen den Schichten 10 und 12, zwischen denen eine Galliumschicht 22 angeordnet ist. Diese stellt eine elektrische Verbindung zwischen den Schichten 18 und 20 dar und bewirkt außerdem eine feste mechaniche Verbindung zwischen den dielektrischen Schichten 10 und 12.

Zwei metallische Leitungsmuster 26 und 28 sind an den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Schichten 14 und 16 befestigt. Zwischen den beiden Leitungsmustern befindet sich eine Isolierschicht 30. Die metallischen Schichten 18, 20, 26 und 28 werden nach einem der bekannte*' -Verfahren auf die entsprechenden dielektrischen Schichten aufgebracht. Im Falle der Leitungsmuster 26 und 28 wird anschließend noch ein selektiver Ätzprozeß durchgeführt, durch den man die gewünschten Musler erhält.

Zur Bildung von elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Metallisierungsebenen sind Verbindungselemente vorgesehen, die sich aus jeweils mehreren axial hintereinander angeordneten Teilen 32 zusammensetzen. Diese Teile 32 befinden sich in Bohrungen der einzelnen dielektrischen Schichten. Die elektrische und mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Teilen 32 erfolgt durch Diffusion eines Ver^indungsmetalles 34 in die zu verbindenden Enden der Teile 32. Als bevorzugtes Verbindungsmetall wird Gallium angesehen.

Die F i g. 2 stellt mehrere aufeinander folgende Verfahrensschritte zur Verbindung zweier Teile eines Verbindungselementes mit Hilfe der Diffusion dar. Die Diffusion wird bei einer relativ geringen Temperatur durchgeführt. Die einzelnen dielektrischen Schichten können eine beliebige Mindestdicke aufweisen und in beliebiger Anzahl übereinander angeordnet werden.

Eine geeignete dielektrische Schicht 40. die beispielsweise aus einem Epoxydglas, Keramik, Quarz, einem Polyamidglas oder Teflon besteht, wird an einer vorbestimmten Stelle mit einer Bohrung 42 versehen. Diese Bohrung wird mit einem geeigneten elektrisch leitenden Material, zum Beispiel Kupfer, gefüllt, wodurch sich das vertikale Verbindungsteil 44 ergibt. Die ein/einen dielcKtrischen Schichten werden dann in gewünschter Weise übereinander angeordnet. In der F i g. 2 sind dies zwei mit Verbindungstellen 48 und 50 versehene dielektrische Schichten 52 und 54. Zwischen den direkt übereinander liegenden Enden der Verbindungsteile 48 und 50 wird einefSchicht;46 aus flüssigem Gallium vorgesehen. Diese Anordnung wird nun einer Erwärmung unterworfen, wobei gleichzeitig ein in Richtung der Pfeile 58 wirkender Druck auf die Verbindungsstelle zwischen den Teilen 48 und 50 ausgeübt wird. Geeignete Erwärmungen wurden beispielsweise bei einer Temperatur von 220⁰C für eine

Dauer von 3 Stunden oder bei einer Temperatur von 150° C für die Dauer von 16 Stunden vorgenommen.

Gallium hat einen Schmelzpunkt von etwa 30° C. Wenn es der beschriebenen Erwärmung unterworfen wird, dann Findet eine interdiffusion zwischen dem Gallium und den aus Kupfer bestehenden Verbindungsteilen statt. Während der Anfangsphase des Erwärmungszyklus bilden das Gallium und das Kupfer ein flüssiges metallisches System. Während eines sehr kurzen Zeitabschnittes innerhalb des Erwärmungszy- ι» klus Findet dann jedoch eine Umwandlung des flüssigen Systems in ein festes System statt. Dieses sich ergebende feste System besitzt einen Schmelzpunkt, der wesentlich höher liegt als der Schmelzpunkt des Ausgangsmaterials Gallium von 30⁰C. In einem r> speziellen Beispiel lag der Schmelzpunkt der Schicht 62 im Verbindungselement 60 bei 900⁰C. Gallium wird in dem v-orliegenden Beispiel bevorzugt verwendet, da es eine sehr niedrige Schmelztemperatur besitzt und außerdem bei relativ niedriger Tempeiatur in Materia- 2υ Ken, die einen hohen Schmelzpunkt besitzen, e^:ndiffur.-diert. Die Fähigkeit des Galliums, bei sehr niedrigen Temperaturen zu diffundieren, ist insoweit von Bedeutung, als die meisten dielektrischen Materialien keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden dürfen.

Der Abstand zwischen den dielektrischen Schichten ist in der in F i g. 2 zuunterst dargestellten Anordnung relativ groß. Dieser Abstand kann jedoch nahezu vollständig eliminiert werden, wenn die Enden der einzelnen Verbindungsteile in den dielektrischen Schichten coplanar mit deren Oberflächen abschließen. Die F i g. 3 zeigt zwei dielektrische Schichten 70 und 72, die mit Hilfe des anhand von Fig. 2 erläuterten Verbindungsprozesses zusammengefügt wurden. Die elektrische Verbindung erfolgt über zwei Verbindungselemente 74 und 76, die jeweils eine durch Diffusion erzeugte Zwischenschicht 78 bzw. 80 aufweisen. Die einander zugewandten Oberflächen der Schichten 70 und 72 tragen jeweils ein elektrisches Leitungsmuster. Zwischen diesen Leitungsmustern befindet sich eine isolierende Zwischenschicht 8Z Die Dicke dieser isolierenden Zwischenschicht hängt davon ab, wie weit die einzelnen Teile der Verbindungselemente 74 und 76 über die Oberflächen der zugeordneten dielektrischen Schichten hinausragen. Geeignete Materialien für die Zwischenschicht 82 sind Keramik, Qwrz, Polyamidglas, Luft oder Teflon. Als Material für dL- elektrischen Leitungsmuster sowie die metallischen Verbindungselemente wird vorzugsweise Kupfer gewählt. Es körnen jedoch auch Gold, Silber, Nicke! oder ein anderes elektrisch leitendes Material, das die gewünschten Diffusionseigenschaften aufweist, verwendet werden.

Hier7u 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen Schaltungsanordnung aus elektrisch isolierenden Schichten, bei weichen auf den Oberflächen der Schichten angeordnete Leitungsmuster durch in Bohrungen der Schichten angeordnete metallische Verbindungsstifte kontaktiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die in Bohrungen (42) der elektrisch isolierenden Schichten (70, 72) angeordneten metallischen Verbindungsstifte (74, 76) über die Oberflächen der Schichten hinausragen und unter Bildung von durch Diffusion erzeugten Zwischenschichten (78, 80) miteinander verbunden werden, und daß zwischen den einander zugewandten Leitungsmustern (26, 28) zweier isolierender Schichten isolierende Zwischenlagen (30) angeordnet werden.