DE2251829A1 - Verfahren zur herstellung metallisierter platten - Google Patents

Verfahren zur herstellung metallisierter platten

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nickel
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Wallace D Reed
Richard A Stoltz
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Westinghouse Electric Corp
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Description

DlPL-INQ. KLAUS NEUBECKER
Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ S c h a d ο w ρ I a t ζ 9
ν ,,Düsseldorfv 20> Okt. 1972
42,871
72111
Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
Verfahren, zur Herstellung metallisierter Platten .
' Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Schaltungsanordnungen, insbesondere zur Herstellung von'Schaltplatten für hybride Mikroelektronik.
Wie allgemein bekannt, werden Schaltungsplatten entweder nach einem Verfahren für gedruckte Epoxyglasplatten, im Dickfilmverfahren oder aber im Dünnfilmverfahren hergestellt. Die Verfahren zur Herstellung gedruckter Epoxyglasplatten haben in der elektronischen Industrie eine weite Verbreitung gefunden.
Durch die hybride Mikroelektronik wie die bekannten Dickfilm- und Dünnfilmverfahren ist eine noch weitergehende Miniaturisierung > dünner gedruckter Epoxyglasplatten möglich. Beim Dickfilmverfahren wird allgemein eine Paste durch eine entsprechend konturierte Maske oder Schablone auf ein keramisches Substrat aufgebracht und anschließend zu einem sog, Cermet gebrannt. Im Dünnfilmverfahren wird das keramische Substrat allgemein durch Vakuumniederschlag metallisiert und anschließend mit Widerstandsmaterial konturiert, .hierauf unter Bildung des Leiterverlaufs geätzt.
Schaltungsplatten sind entsprechend allen drei Verfahren sowohl mit
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Telefon (0211) 320858 Telegramme Custopat . T"
einseitiger als auch mit doppelseitiger (Leiter sowohl auf Oberais auch auf Unterseite) Konturierung gefertigt worden. Doppelseitige Platten mit in Innenschichten enthaltenen Leitern werden auf gedruckten Epoxyglas-Schaltungsplatten verwendet, jedoch finden wegen der Schwierigkeiten, eine zuverlässige Durchgangsloch-Metallisierung zu verwirklichen, im allgemeinen nur einseitige Platten Verwendung, wenn in Verbindung mit hybrider Mikroelektronik von Innenschichten Gebrauch gemacht wird.
Bei der mitKupfer abgekleideten gedruckten Epoxyglas-Schaltungsplatte wird zur Herstellung der Metallisierung durch die Löcher zunächst eine relativ dünne Kupferschicht durch Electroless-Niederschlag aufgebracht, worauf ein dickerer Film über diese erste Kupferschicht elektroplattiert wird. Leitende Durchgangslöcher werden beim Dickfilmverfahren allgemein dadurch hergestellt, daß eine Paste mittels eines auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats angreifenden Vakuums in die Löcher gezogen wird, wobei die Löcher teilweise mit Paste angefüllt werden (die beim anschließenden Brennen leitend wird). Leitende Durchgangslöcher werden im Dünnfilmverfahren allgemein durch Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Quelle des aufgetragenen Metalls und dem Substrat hergestellt, wobei jeder Teil der Innenfläche der Löcher der Quelle linienförmig aufeinanderfolgend ausgesetzt wird.
Die mit Kupfer abgekleidete gedruckte Epoxyglas-Schaltungsplatte ist verhältnismäßig groß und weist infolge der Verwendung organischer Materialien Temperatur- und Stabilitätsbeschränkungen auf. Bei dem Dickfilmverfahren ergibt sich eine etwas unbestimmte Beschichtung der Löcher, ferner ergeben sich Schwierigkeiten bei der Überprüfung, unzuverlässige elektrische Verbindungen mit Innenschichten, und da zumindest einige der Löcher üblicherweise fast vollständig ausgefüllt sind, ist die Einführung von Stiften in leitende Durchgangslöcher im allgemeinen nicht möglich. Beim Dünnfilmverfahren ergibt sich im allgemeinen nur eine beschränkte Haftung zwischen der Metallisierung und dem keramischen Werkstoff, außerdem kommt es infolge einer Schattenwirkung und mangelnder Durchdringung durch das im Vakuum aufgebrachte Leitermaterial nur
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zu einem unzuverlässigen Kontakt mit1 den Innenlagen/ und schließlich ist das Verfahren verhältnismäßig kostspielig.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung doppelseitiger Schaltungsplatten zu schaffen, die feste leitende Verbindungen zwischen den Schaltungsbereichen auf gegenüberliegenden Seiten der Platte aufweisen«.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung metallisierter Platten für doppelseitige Schaltplatten mit einem Löcher aufweisenden Substrat erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat auf eine Temperatur zwischen 450° C und 1000 C aufgeheizt wird und die Oberflächen des Substrats mit einem Gas in Berührung gebracht werden, das Wasserstoff und Wolframhalogenid enthält.und nach Kontaktierung des aufgeheizten Substrats das Wolframhalogenid mit dem Wasserstoff reagieren läßt, so daß der Wolframanteil des Wolframhalogenids als metallisches Wolfram auf dem Substrat niedergeschlagen wird, und daß hierauf das Substrat in einer nicht-oxydierenden Atmosphäre gekühlt wird.
Dabei ermöglicht das Verfahren nach der Erfindung den praktischen Einsatz doppelseitiger Platten mit Innenschichten in einem hochminiaturisierten Schaltkreis.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein beschichtetes keramisches Substrat mit mehreren Löchern, deren Umfang durch chemischen' Dampfniederschlag mit Wolfram beschichtet worden ist; .
Fig. 2 perspektivisch eine Teilansicht des beschichteten Substrats, die die Metallisierung längs der Peripherie der Löcher erkennen läßt; und
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— A —
Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer doppelseitigen Schaltungsplatte mit metallisierten Durchgangslöchern veranschaulicht.
Wenngleich die vorliegende Erfindung sich mit gleicher Vorteilhaft tigkeit in Verbindung mit elektrischen Schaltungsanordnungen in der Größenordnung bekannter Schaltungsplatten anwenden läßt, so ist sie doch besonders für Schaltungsanordnungen in der Größenordnung hybrider Mikroschaltkreise geeignet, und dementsprechend wird sie auch erläutert.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein beschichtetes Substrat 10 mit mehreren metallisierten Durchgangslöchern 12.
Fig. 2 zeigt Teile des beschichteten Substrats etwas weiter ins einzelne gehend, insbesondere die Zuordnung der Wolframmetallisierung 14 und des keramischen Substrats 16 zueinander.
Fig. 3 gibt ein Flußdiagramm der typischen Verfahrensschritte bei der Herstellung einer doppelseitigen Schaltungsplatte mit metallisierten Durchgangslöchern wieder. Der erste Schritt besteht in dem Aufheizen des keramischen Substrate auf eine vorgegebene Temperatur zwischen 450° und 1200°C. Gas, das Wasserstoff und Wolframhalogenid enthält, wird in Kontakt mit dem aufgeheizten Substrat gebracht, so daß durch die Halogenid-/Wasserstoffreaktion die Oberflächen, einschließlich der Umfangsflächen der Löcher, mit metallischem Wolfram beschichtet werden. Wenn Wolframhexachlorid oder Wolframpentabromid verwendet wird, so muß das Halogenid aufgeheizt werden, um es in Gasform zu halten, jedoch kann Wolframhexa-fluorid auch bei Raumtemperatur in Gasform gehalten werden. Außer metallischem Wolfram wird bei der Reaktion eine Wasserstoff-/ Halogenverbindung erzeugt, die während des Niederschlags reinigend auf die Oberfläche des keramischen Substrats 16 einwirkt. Der etwa bei der Wolframhexachlorid-Wasserstoffreaktion erzeugte Fluorwasserstoff bewirkt eine leichte Atzung des keramischen Substrats 16, die die Haftung des Wolframs andern keramischen Material verbessert.
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Nach der Beschichtung wird das Substrat in einer nicht-oxydierenden Atmosphäre gekühlt. Das beschichtete Substrat wird vorzugsweise auf weniger als 200° C abgekühlt, ι Wolfram-Metallisierung 14 zu verhindern.
weise auf weniger als 200° C abgekühlt, um eine Oxydation'der
Als nächstes wird das beschichtete Substrat, typischerweise sowohl auf seiner Ober- als auch auf seiner Unterseite, konturiert, d. h., es wird der gewünschte Leitungsverlauf vorgesehen. Das kann mit Hilfe einer Maske in Verbindung mit Resistmaterial oder mit Hilfe von Fotoresistmaterial geschehen, das ohne Koriturierung aufgebracht und dann dadurch konturiert wird, daß es entsprechend einem bestimmten Licht-Konturverlauf belichtet und dann entwickelt wird. Das Fotoresistmaterial kann entweder als Flüssigkeit oder als trockener Film aufgebracht werden. Der trockene Film weist dabei den Vorzug auf, daß er die Löcher zeltartig überspannt, so daß für den Fall, daß die Löcher während nachfolgender Behändlungsschritte geschützt werden müssen, die Innenseiten der Löcher nicht mit Fotoresistmaterial beschichtet und anschließend auch nicht die Innenseiten belichtet zu werden brauchen.
Das konturlerte Substrat wird geätzt, um unerwünschtes Leitermaterial zu entfernen, wobei jedoch Leitermaterial, das sich in den vorgesehen Bereichen, einschließlich der Durchgangslöcher, befindet, durch das Widerstandsmaterial gegen das Ätzmittel geschützt wird, wobei dieses Metall zurückbleibt. Auf diese Weise wird eine doppelseitige Schaltungsplatte mit leitenden Durchgangslöchern erhalten.
Es ist zwar möglich, doppelseitige Schaltungsplatten mit leitenden Durchgangslöchern unmittelbar aus der Wolfram-Metallisierung 14 zu erhalten, jedoch ist Wolfram ein verhältnismäßig schwieriges Material, um elektrische Verbindungen daran anzubringen. Vorzugsweise werden daher andere Metalle auf das Wolfram aufplattiert. Das kann entweder vor der Konturierung, teilweise\or und teilweise nach der Konturierung oder ganz nach der Konturierung
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erfolgen. Wünschenswert ist wegen seiner guten Verbindbarkeit mit Drähten und wegen seiner Schutzwirkung gegenüber darunterliegenden Leitermaterialien Gold. Wenn Gold verwendet wird, so wird es vorzugsweise nach der Konturierung aufgebracht, so daß auch Schwierigkeiten hinsichtlich einer Ätzung von Gold vermieden werden, Vorzugsweise wird auch ein zusätzliches Metall wie Nickel verwendet, das sich bequem löten läßt. Vorzugsweise wird dann das Nickel über das Wolfram elektroplattiert und das Gold über das Nickel plattiert.
Das nachstehende spezielle Ausführungsbeispiel beschreibt weiter ins einzelne gehend verschiedene Kombinationen, die bei Verwendung dieses Verfahrens möglich sind.
BEISPIEL I
Ein zu 94 % aus Al^O-^bestehendes Substrat mit mehreren Löchern wird auf eine vorgegebene Temperatur von 500° C aufgeheizt. Das Substrat wird etwa 20 min lang bei einem Druck von einer Atmosphäre in eine Atmosphäre gebracht, die drei Teile H2 und ein Teil Wolfrainhexafluorid enthält. Das Substrat kann dann in einer H,-Atmosphäre auf etwa 100° C abkühlen. Hierauf wird das Substrat aus der Atmosphäre entfernt und weiter auf Raumtemperatur abgekühlt. Auf beide Seiten des Substrats wird dann mit der erforderlichen Konturierung ein Ätz-WiderStandsmaterial durch eine Schablone aufgedruckt. Das freiliegende Wolfram wird in etwa einer Hinute in einer Lösung weggeätzt, die fünf Teile HNO3, ein Teil HF und ein Teil Essigsäure enthält.
BEISPIEL II
Es wurde eine Schaltungsplatte entsprechend Flg. 1 hergestellt, wobei jedoch als Substratmaterial Berylliumoxid verwendet wurde.
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BEISPIEL III
Eine Schaltungsplatte mit einem zu 99 % atas Altiminiumoxid bestehenden Substrat laßt sich wie folgt herstellen Das Substrat wird auf eine Temperatur von 1200° C aufgeheizt, worauf das Substrat in eine Atmosphäre eingebracht wird, die zu fünf Teilen aus H2 und zu einem Teil aus Wolframhexachlorid besteht und sieh bei einem Druck von 10 Torr auf einer Temperatur von 150 C befindet. Hierauf wird das Substrat vor seiner Entfernung aus der Atmosphäre auf 200° C abgekühlt, sodann auf Raumtemperatur abgekühlt und schließlich mit einer flüssigen Fotoresistschicht versehen, die anschließend zum Trocknen gebracht wird« Die Fotoresistschicht wird dann belichtet und entwickelt, worauf das belichtete Wolfram mit ca. Iß /u Nickel elektroplattiert wird. Die Nickelschicht wird mit 2,5 /u Gold elektroplattiert, worauf die Fotoresistschicht durch Aufheizung des beschichteten und plattierten Substrats auf 400° C abgestreift wird. Sodann wird der Aufbau gekühlt, und die unplattierten Teile des Wolframs werden in einer wäßrigen Lösung geätzt, die zu einem Teil aus H2O3 und ζτα einem Teil aus einer gesättigten Lösung von Natriumhydroxid in Wasser besteht. Ebenso kann das Natriumhydroxid ganz oder teilweise durch Kaliümhydroxid ersetzt werden.
BEISPIEL IV
Eine mehrlagige Schaltungsplatte mit einem zu 96 % aus Aluminiumoxid bestehenden Substrat, in deren Innerem sich eine Innariage aus konturiertem leitenden Material befindet, läßt sich wie folgt herstellen: Das'Substrat wird in einer Atmosphäre, die zu 15 Teilen aus H2 und zu einem Teil aus Wolframhexafluorid besteht und einen Druck von fünf Atmosphären aufweist, auf 450° C erhitzt, anschließend in einer nicht-oxydierenden Atmosphäre auf 50° C abgekühlt. Hierauf wird eine Nickelschicht von ca. 13 /u auf das Wolfram elektroplattiert, Fotoresistmaterial in Form eines trockenen Filmsauf die Ober- und Unterseite des Substrats so aufgebracht, daß die Löcher zeltartig überspannt werden, das Fotpresistmaterial in einer geeigneten Konturierung belichtet und entwickelt, das
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freiliegende Nickel (und soweit es freiliegt, das Wolfram) mit einem l:l-HF-/Salpetersäuregemisch weggeätzt und sodann eine Schutzschicht aus Gold hinzugefügt, indem das Substrat etwa eine Minute lang in eine Goldlösung eingetaucht wird.
Die auf diese Weise hergestellten Schaltungsplatten weisen eine extrem starke Verbindung (Verschmelzung) zwischen Wolfram und keramischem Material sowohl längs der Oberflächen als auch längs der Innenflächen der Löcher auf.
Es ist auch möglich, etwas weichere Keramika wie Fosterit oder Steatit zu verwenden, jedoch ist der Verwendung des stärkeren Berylliumoxids oder Aluminiumoxids als Substratmaterial der Vorzug zu geben.
Die Innenlagen werden naturgemäß während der Herstellung auf dem Substrat in das Substrat βingebracht,und die Konturierung ihrer Leiter wird zu diesem Zeitpunkt bestimmt. Die Verwendung doppelseitiger Substrate mit Innenlagen ergibt eine große Flexibilität hinsichtlich der Schaltungsgestaltung und eine hohe Schaltungsdichte, da zwei Flächen bei der Fertigstellung der Platten konturiert werden können und durch die Durchgangslöcher miteinander verbunden werden können, die dann Querverbindungen ermöglichen. Hinzu kommt, daß große Verdrahtungsnetzwerke wie Spannungsverteilungen unter Verwendung der Innenlagen vorgesehen werden können.
Patentansprüche:
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Claims (6)

- 9 P a tentan sprüch e :
1.j Verfahren zur Herstellung metallisierter Platten für doppelseitige Schaltplatten mit einem Löcher aufweisenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (lb) auf eine Temperatur zwischen 450° C und 1000° C aufgeheizt wird und die Oberflächen des Substrats mit einem Gas in Berührung gebracht
werden, das Wasserstoff und Wolframhalogenid enthält und nach Kontaktierung des aufgeheizten Substrats das Wolframhalogenid mit dem Wasserstoff reagieren läßt, so daß der Wolframanteil
des Wolframhalogenids als metallisches Wolfram auf dem Substrat niedergeschlagen wird, und daß hierauf das Substrat in einer
nicht-oxydierenden Atmosphäre gekühlt wird«,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
keramische Substrat aus Berylliumoxid besteht.
3. Verfahren nach Anspruch lf dadurch gekennzeichnet, daß das
keramische Substrat aus Aluminiumoxid besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wolframhalogenid im wesentlichen mindestens aus Wolframhexachlorid (WCIg) und Wolframhexafluorid (WPg) besteht*
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, wobei das Substrat durch Beschichtung des Substrats mit einem Fotoresist-Material, Belichtung des Fotoresist-Materials mit einem vorgegebenen Lichtmuster und Entwicklung des Fotoresist-Materials unter gleichzeitiger Freilegung einiger Teile des Wolframs konturiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die freigelegten TEiIe des Substrats in einer vorgegebenen Stärke mit Nickel
elektroplattiert werden, daß das Fotoresist-Mateifial entfernt und das nicht durch Nickel abgedeckte Wolfram mit einer Lösung aus H2O2 und einem ungefähr gleichen Anteil von mindestens
einer der beiden Verbindungen KOH und NaOH weggeätzt wird.
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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hickelbeschichteten Gebiete des Substrats mit Gold beschichtet werden.
KN/me 3
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