DE2558361C2 - Verfahren zum Herstellen von durchgehend metallisierten Bohrungen in mehrschichtigen keramischen Moduln - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von durchgehend metallisierten Bohrungen in mehrschichtigen keramischen Moduln

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 im einzelnen angegeben ist. Dieses Verfahren soll auch zur Herstellung mehrschichtiger keramischer Moduln angewendet werden. Der Ausdruck Folien oder Platten soll hier nicht als eine Beschränkung aufgefaßt werden, da sich die Erfindung auch bei der automatischen Herstellung solcher keramischer Moduln einsetzen läßt, wobei keramische Filme, Folien oder Streifen fortlaufend von einer Vorratsrolle abgezogen werden. Derzeit werden ungebrannte, keramische Folien in der Mikroelektronik in großem Umfang benutzt und haben bei der Entwicklung dieser Industrie einen ganz wesentlichen Anteil gehabt In einem der bekannteren Anwendungsgebiete wird die ungebrannte keramische Folie nach geeigneter Verarbeitung als isolierendes Substrat benutzt, auf dem anschließend Halbleiterplättchen aufgebracht werden können, da festgestellt wurde, daß die hier benutzten keramischen Materialien alle erwünschten Eigenschaften aufweisen, insbesondere einen hohen spezifischen Widerstand und eine hohe mechanische Festigkeit
Zunächst hat man keramische Moduln von geringen Abmessungen benutzt Diese hat man auf einer oder auf beiden Hauptflächen mit Hilfe des Siebdruckverfahrens mit elektrisch leitenden Leitungszügen und Mustern versehen für eine elektrische Verbindung von aktiven und/oder passiven Bauelementen auf dem Modul mit den Anschlußstiften und mit der äußeren Schaltung.
Wesentliche Fortschritte in der Halbleitertechnik haben es bei fortschreitender Mikrominiaturisierung mit sich gebracht, daß man nunmehr sehr hohe Packungsdichten der Bauelemente erzielen konnte, so daß man beispielsweise heute mehrere Hunderte oder mehrere Tausende von Transistoren, Dioden, Widerstände usw. auf einem Halbleiterschaltungsplättchen unterbringen kann, dessen Fläche in der Größenordnung von einigen mm2 liegt Durch diesen technischen Fortschritt ergab sich sofort die Notwendigkeit, isolierende Substrate zu schaffen, bei denen die Packungsdichte der elektrisch leitenden Metallisierungsmuster ebenfalls sehr hoch sein kann.
Eine erfolgversprechende Lösung dieses Problems ist ein bekanntes Verfahren, bei dem keramische Materialien in mehrschichtigen Schaltkreismoduln benutzt werden. Diese Moduln, deren Herstellungsverfahren noch beschrieben wird, sind mehrschichtige keramische Strukturen, deren jede Schicht ein Muster aus elektrischen Leitungszügen und elektrischen Anschlüssen für eine Verbindung zwischen den einzelnen Schaltungsebenen aufweist. Diese mehrschichtigen mikroelektronischen keramischen Strukturen werden dabei wie folgt hergestellt: zunächst werden die Rohstoffe der verschiedenen keramischen Körper in Teilchenform und ein organischer Träger unter Verwendung einer Kugelmühle zur Herstellung einer zähflüssigen Masse miteinander vermischt. Diese Masse wird dann mit Hilfe eines Streichmessers oder einer Rakel oder eines anderen bekannten Verfahrens auf einem Substrat zur Bildung eines an dem Substrat haftenden dünnen keramischen Films aufgebracht. Im allgemeinen wird dabei das Abstreichmesser festgehalten, während sich das Substrat bewegt. Das Substrat kann beispielsweise aus einem Streifen aus Kunststoffmaterial, wie z. B. Polytetrafluorethylen oder Polyäthylen-tetiraphthalat bestehen oder aus einem Band aus nicht rostendem Stahl. Die zähflüssige Masse fließt dann zwischen dem Substrat und dem Abstreichmesser und erreicht damit eine konstante, vorbestimmte Dicke. Der sich daraus ergebende Film wird dann in einer Trockenstation getrocknet und von dem Substrat abgezogen. Die Dicke, Porosität und anderen physikalischen und elektrischen Eigenschaften des Films werden dann überprüft; außerdem wird der Film daraufhin untersucht, ob er irgendwelche Risse, Blasen oder
andere Fehler aufweist Bevor der Film benutzt wird, wird er gewöhnlich für einige Zeit an einer geeigneten Stelle gelagert, damit die übrigen flüchtigen Bestandteile verdampfen können. Zu diesem Zeitpunkt ist der dünne, keramische Film noch ungebrannt, hat eine konstante Dicke, weist keinerlei Defekte oder Beschädigung auf und das äußere Erscheinung! bild ist das einer weichen Folie. Der Film wird dann auf die entsprechenden Abmessungen zurechtgeschnitten.
Anschließend werden an vorbestimmten Orten in die einzelnen uiigebrannten oder grünen Folien durchgehende Bohrungen eingestanzt Eine elektrisch leitende Paste wird dann im Siebdruckverfahren oder einem anderen, äquivalenten Verfahren auf die Oberfläche der Folien zur Bildung der gewünschten Metallisierungen und in die durchgehenden Bohrungen aufgebracht. Diese Paste besteht normalerweise aus pulverförmigem Molybdän, einer Glasfritte und einem organischen Bindematerial, das im wesentlichen aus einem Bindemittel und einem Lösungsmittel besteht Die Folien werden dann miteinander ausgerichtet, aufeinander gestapelt derart, daß entsprechende durchgehende Bohrungen in den verschiedenen Folien alle auf der gleichen senkrechten Achse liegen. Die Struktur wird dann zur Herstellung einer guten Verbindung zwischen den einzelnen Foüen durch ein Erweichen des Harzbindemittels laminiert Die Laminierung wird bei relativ niedriger Temperatur und niedrigem Druck durchgeführt Die laminierten Folien werden dann bei einer Temperatur gesintert bei der eine Verdichtung des keramischen Materials erreicht wird, wodurch ille organischen Bestandteile ausgetrieben und die elektrisch leuenden Muster in den metallischen Zustand überführt werden. Die sich dabei ergebende monolithische Struktur wird dann mit Anschlußstiften oder Anschlußfahnen sowie mit dem Halbleiterplättchen versehen.
Die Metallisierung der durchgehenden Bohrungen bereitet bei der Herstellung mehrschichtiger keramischer Strukturen Schwierigkeiten. Diese Bohrungen werden unter Anwendung üblicher Verfahren in der grünen Folie hergestellt und haben sehr geringe Abmessungen, wobei der Durchmesser oft in der Größenordnung von 0,1 mm liegt, so daß sie außerordentlich schwierig zu metallisieren sind. Eine übliche Lösung für dieses Problem besteht darin, eine Siebdruckmaske, wie z. B. eine Molybdänmaske, auf der grünen Folie aufzubringen, in der die durchgehenden Bohrungen hergestellt sind, wobei die Folie selbst auf einem flachen, stabilen Träger aufgebracht ist. Die Metallisierungsverbindung wird dann in Teilchenform oder Pastenform unter Verwendung eines Abstreichmessers durch die Maske hindurchgedrückt, so daß dadurch die Bohrung ausgefüllt und gleichzeitig das gewünschte Metallisierungsmuster auf der Oberfläche der grünen Folie hergestellt wird. Ein ähnliches Verfahren mit dem Titel »Vacuum Operated Silk Screening Technique« ist im IBM Technical Disclosure Bulletin Band 16, Nr. 5, Oktober 1973, auf Seite 1497 besehrieben. Es wäre jedoch erwünscht, statt die Bohrungen vollständig auszufüllen, wie dies bei dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik der Fall ist, nur eine teilweise Metallisierung zu erzielen, d. h. eine dünne Metallisierungsschicht auf der inneren Oberfläche der Bohrung anzubringen, so daß dann immer noch ein freier Raum verbleiben würde, der anschließend durch Kapillarwirkung mit einem sehr gut leitenden Metall, wie z. B. Kupfer, ausgefüllt werden könnte oder aber um einen Anschlußstift aufzunehmen, wie noch erläutert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es also eiü Verfahren zur Metallisierung durchgehender Bohrungen in grünen keramischen Folien in der Weise anzugeben, daß man damit eine gleichförmige dünne Metallisierungsschicht auf der inneren Oberfläche jeder Bohrung erhält Die so metallisierten Bohrungen können dann entweder durch Kapillarwirkung mit einem elektrisch sehr gut leitenden Metall ausgefüllt werden oder aber sie dienen zur Aufnahme von Verbindungsstiften oder Anschlußstiften.
Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in der Weise gelöst, daß die grüne, keramische Folie auf einen Träger aufgebracht wird, der einzelne Bestandteile der Trägerflüssigkeit der Paste zu absorbieren vermag, daß anschließend im Siebdruckverfahren mittels einer Siebdruckmaske mit einer der durchgehenden Bohrung entsprechenden Öffnung diese Paste aufgedruckt, anschließend die Maske entfernt und die keramische Folie von dem Träger abgezogen wird, so daß eine dünne Schicht der Paste auf der inneren Oberfläche der Bohrung verbleibt
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
Fig. IA-ID einzelne Schnittansichten zur Erläuterung des Verfahrens zum Metallisieren von in einer grünen keramischen Folie angebrachten durchgehenden Bohrungen und
Fig.2A—2D weitere Schnittansichten zur Erläuterung des Verfahrens zur Befestigung von Anschlußstiften an der Basis eines mehrschichtigen keramischen Moduls unter Verwendung von Bohrungen, die innen mit einer dünnen Metallisierungsschicht überzogen sind.
Zur Herstellung der grünen keramischen Folie, die das Ausgangsmaterial für die vorliegende Erfindung bilden, lassen sich eine Reihe bekannter Verfahren einsetzen.
In Fig. IA ist eine grüne keramische Folie 10 dargestellt, die auf einem Träger 11 durch nicht dargestellte Mittel festgehalten ist Auf der Folie 10 liegt eine Molybdänmaske 12, die eine Anzahl von Öffnungen aufweist, durch die eine elektrisch leitende Paste hindurchgedrückt werden kann. Eine solche Öffnung 13 dient sowohl zum Ausfüllen einer in der keramischen Folie hergestellten Bohrung 14 (der Durchmesser der Bohrung liegt im Bereich zwischen 0,1 und 1 mm) und zum Aufbringen eines Teils 15 eines elektrisch leitenden Musters, das der elektrischen Verbindung zwischen verschiedenen Bohrungen und/oder auf der Folie angebrachten Bauelementen dienen soll. Die elektrisch leitende Paste kann eine Mischung aus metallischen Teilchen und einem Bindemittel sein. Eine solche Paste kann beispielsweise aus einem anorganischen Bestandteil aus etwa 70% kleiner Molybdänteilchen bestehen (Durchmesser 2 bis 5 Mikron) und 30% einer Glasfritte (die z. B. AI2O3,42%, SiO2,54%, CaO 2% und MgO 2%) und andererseits aus einem organischen Bestandteil bestehen, der z. B. aus einer Mischung aus Butylcarbitolazetat, (das als Trägerflüssigkeit wirkt) zu 75%, Zelluloseäthyl Type N50 (das eigentliche Bindemittel) 20% und Sarkosyl 5% besteht, wobei diese hier angegebenen Anteile dem Fachmann bekannt sind. Die Viskosität der Paste liegt bei etwa 32 000 mPas. Eine solche Paste, die in F i g. 1B mit 16 bezeichnet wird, wird
unter Verwendung eines Kunststoffabstreichmessers 17, das z. B. aus Polytetrafluorethylen bestehen kann, aufgebracht und durch die Öffnungen der Maske hindurchgedrückt. Dabei muß der Anpreßdruck des Abstreichmessers sorgfältig eingehalten werden, damit Beschädigungen der Maske oder der keramischen Folien vermieden werden. Der Träger 11 muß dabei in der Lage sein, das in der elektrisch leitenden Pane enthaltende Lösungsmittel zu absorbieren. Im allgemeinen ist jeder poröse Träger, der in Verbindung mit der oben angegebenen Pastenzusammensetzung benutzt wird, brauchbar. Beispielsweise kann Papier als geeigneter Träger dienen. Sind die Bohrungen tief und schmal, dann sollten Pasten mit einer kleinen Viskosität benutzt werden. Im Stand der Technik hat die Benutzung solcher Pasten oft das Ergebnis gehabt, daß in den Bohrungen eine ungenügende Menge an Metall niedergeschlagen wurde. Dieses Problem tritt hier nicht auf, da der Träger 11 das Lösungsmittel absorbiert und damit bewirkt, daß ein Teil der Paste an dem Träger hängen bleibt
Bei diesem Verfahrensstand muß nur noch die Maske 12 entfernt und die grüne keramische Folie von ihrem Träger abgezogen werden, wie dies Fig. IC zeigt Bei diesem Verfahrensschritt wird ein Teil 16/4, der die Bohrung 14 ausfüllt, entfernt, so daß eine dünne Schicht der Paste (in Fig. IC mit 16/j bezeichnet) auf der inneren Oberfläche der Bohrung verbleibt Der Teil 16c entspricht dann dem Abschnitt 15 des elektrisch leitenden Musters. Die sich dabei ergebende Struktur ist in F i g. 1D gezeigt
Ist mehr als eine Ebene erforderlich, dann werden mehrere dieser Folien auf die beschriebene Weise metaüisiert, übereinander in der Weise gestapelt, daß alle durchgehenden Bohrungen genau miteinander ausgerichtet sind und anschließend unter ausreichend hohem Druck bei ausreichend hoher Temperatur laminiert so daß das Bindemittel verdampft und sich zwischen den einzelnen Folien eine gute Bindung ergibt Auf diese Weise wird eine monolithische Struktur erreicht die anschließend bei einer Temperatur gesintert wird, die zum Brennen des keramischen Materials erforderlich sind, so daß dadurch die oiganischen Bestandteile der Paste entfernt und das elektrisch leitende Muster der metallischen Paste in seinen metallischen Zustand überführt wird. Eine genaue Beschreibung eines Verfahrens, das zur Bildung einer solchen monolithischen Struktur benutzt werden kann, ist in der vorher erwähnten US-Patentschrift 35 18 756 angegeben.
Einige der bisher benutzten Metallisierungspasten, insbesondere solche Pasten, die eine Mischung aus feuerfesten Materialien und/oder Edelmetallen enthalten mit einer geeigneten Trägerflüssigkeit die gemäß dem Stand der Technik zur Ausfüllung durchgehenden Bohrungen benutzt wurden, hatten zur Folge, daß die elektrische Leitfähigkeit der Bohrungen wegen der Porosität der Paste ungenügend war, so daß es anschließend notwendig war, die innerhalb der Bohrungen befindlichen Kapillaren mit Kupfer auszufüllen, indem man normalerweise diese monolithische Struktur in ein aus geschmolzenen Kupfer bestehendes Bad eingebracht hat Dieses Verfahren zur Verbesserung der Leitfähigkeit der metallischen Leitungen ist an sich bekannt (vergL beispielsweise den Artikel »Boat for Multilayer Circuit Module Capillary Filling« in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 15, Nr. 7, Dezember 1972, Seite 2140) und außerdem das in der US-Patent-
schrift 38 38 204 offenbarte Verfahren. Die Unterbrechungen, die jedoch oft in solchen üblichen Pasten bestehen, haben jedoch zur Folge, daß die durchgehenden Bohrungen recht unregelmäßig mit Kupfer ausgefüllt werden. Da einige Moduln bis zu mehreren hunderten durchgehender Bohrungen aufweisen, lassen sich mit diesen Verfahren gemäß dem Stand der Technik kaum jemals hohe Ausbeuten erzielen. Ein Vorteil bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Bohrungen, da sie mit einer dünnen Schicht aus Metall überzogen sind, in gestapelten Schichten einer monolithischen Struktur leichter mit Kupfer auszufüllen sind.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei der Anwendung der Erfindung besteht darin, daß damit auch die Befestigung von ÄnschiuBsiiiien in den nur teilweise durchmetallisierten Bohrungen, die in den grünen keramischen Folien hergestellt sind, erleichtert wird.
Bei erfindungsgemäß metallisierten Bohrungen in keramischen Folien kann wiederum von zylindrischen Anschlußstiften Gebrauch gemacht werden, die leichter zu verarbeiten sind. Fig.2A zeigt grüne keramische Folien 20,21 und 22 mit den durchgehenden Bohrungen 23,24 bzw. 25. Die Filme 20 und 21 sind gleichartig mit dem keramischen Film in F i g. 1D aufgebaut und sind metallisiert worden, wobei die innenliegenden Oberflächen der Bohrungen 23 und 24 mit dünnen metallischen Schichten 26 bzw. 27 der zuvor erwähnenden Molybdänpaste überzogen sind. Andererseits hat man ein übliches Verfahren zur Metallisierung der Folie 22 unter Verwendung der gleichen Molybdänpaste benutzt, so daß die durchgehende Bohrung 25 vollständig, wie bei 28 gezeigt mit der Paste ausgefüllt ist und eine Brücke 23 bildet, die einen zylindrischer. Anschlußstift tragen kann. Für die Zwecke der besonderen noch zu beschreibenden Anwendung, sind die durchgehenden Bohrungen 23 und 24 größer als die Bohrung 25. Der klaren Darstellung halber zeigt Fig.2A nur zwei oberhalb der Folie 22 liegende Folien, doch dem Fachmann leuchtet ohne weiteres ein, daß daraus keine Beschränkung ableitbar ist
Während eines zweiten Verfahrensschritts mit Siebdrucld&vird eine Zellulosepaste zum Ausfüllen der Bohrungen 23 und 24 benutzt, so daß diese während des Laminiervorganges abgedichtet sind. Da diese Paste aufgebracht wird, während die Folien 20 und 21 auf ihren jeweiligen Trägern 11 (in Fig.2A nicht gezeigt) liegen, wird die Zellulose nicht absorbiert Andererseits läßt sich auch eine Graphitpaste oder jede andere Verbindung dazu benutzen, die während des Sintervorganges verbrannt wird, anstelle der Zellulosepaste.
Die Folien 2O1 21 und 22 werden dann miteinander ausgerichtet und in üblicher Weise aufeinandergestapelt Die sich ergebende Struktur 30 ist in Fig.2B gezeigt, wobei die Zellulosepaste bei 31 dargestellt ist Die Struktur 30 wird dann laminiert und in der bereits beschriebenen Weise gesintert Während des Sintervorganges wird die Zellulosepaste aus den Bohrungen 23 und 24 ausgebrannt, die dann eine einzige Bohrung 32 bilden, in die ein zylindrischer AnschluBstift später eingesetzt werden wird Die sich ergebende monolithische Struktur ist in Fig.2C dargestellt Während des letzten Verfahrensschritts (Fig.2D) wird ein zylindrischer Anschlußstift 33, der aus verchromtem Kupfer oder vorzugsweise aus Kovar besteht, in die Bohrung 32 eingesetzt zentriert und anschließend unter Verwen-
- dung eines geeigneten Materials 34, beispielsweise einer Legierung aus Kupfer, Silber und Indium angeschweißt
Die Verbindung wird sogar noch besser, wenn eine dünne (ungefähr 3 Mikron) Schicht aus Nickel zunächst auf dem Molybdän niedergeschlagen wird, das die innere Oberfläche der Bohrung bedeckt.
Zu diesem Zeitpunkt muß das Modul lediglich noch um 180° mit der Unterseite nach oben gedreht werden, so daß die freien Enden der Anschlußstifte nach unten gerichtet sind, worauf die die Halbleiterschaltungen tragenden Halbleiterplättchen auf der oberen Oberfläche des Moduls befestigt werden und eine Schutzkappe angebracht wird.
Aus der vorangegangenen Beschreibung erkennt man, daß im Vergleich mit dem bisher üblichen
Verfahren zum Herstellen von mehrschichtigen, keramischen Moduln nur ein zusätzlicher Verfahrensschritt erforderlich ist, nämlich das Ausfüllen der durchgehenden Bohrungen mit einer Zellulosepaste. Dieser Nachteil läßt sich mindestens teilweise dadurch ausgleichen, daß die zum Aufbringen der elektrisch leitenden Paste benutzte Maske ebenfalls zum Aufbringen der Zellulosepaste benutzt werden kann. Außerdem ist dieser zusätzliche Verfahrensschritt voll verträglich mit der Laminierung und dem Sintern. Ferner wird es damit wesentlich einfacher, Anschlußstifte anzubringen und ihre Zuverlässigkeit wird erhöht.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Metallisieren der inneren Oberfläche einer in einer grünen, keramischen Folie hergestellten durchgehenden Bohrung, wobei die Metallisierung unter Verwendung einer im Siebdruck aufzubringenden Paste vorgenommen wird, die aus einer Dispersion eines metallischen Bestandteils in einem organischen Träger besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die grüne, keramische Folie auf einen Träger aufgebracht wird, der einzelne Bestandteile der Trägerflüssigkeit der Paste ZL absorbieren vermag, daß anschließend im Siebdruckverfahren mittels einer Siebdruckmaske mit einer der durchgehenden Bohrung entsprechenden Öffnung diese Paste aufgedruckt, anschließend die Maske entfernt und die keramische Fol>e von dem Träger abgezogen wird, ·ό daß eine dünne Schicht der Paste auf der inneren Oberfläche der Bohrung verbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Paste eine Mischung aus pulverförmigem Molybdän (70%) und einer Glasfritte (30%) und einer aus Butylkarbitolazetat (75%), Zelluloseäthyl (20%) und Sarkosyl (5%) bestehenden organischen Trägerflüssigkeit verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial Papier verwendet wird, das im bezug auf das Butyl-Karbitolazetat in hohem Maße absorbierend wirkt
4. Anwendung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, zum Herstellen mehrschichtiger Schaltungsmoduln, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Anzahl von mit Bohrungen gemäß einem vorbestimmten Muster versehenen Folien die Bohrungen mit einer organischen Paste ausgefüllt werden, die sich beim nachfolgenden Sinterverfahren verflüchtig, daß ferner die einzelnen Folien miteinander ausgerichtet und übereinandergestapeit werden, so daß die Bohrungen an den gewünschten Orten miteinander übereinstimmen und daß anschließend die so ausgerichteten und übereinandergestapelten Folien laminiert und gesintert werden, wodurch die organische Paste sich verflüchtigt, das keramische Material verdichtet und die Metallisierungen gebrannt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Paste eine Zellulosepaste benutzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine keramische Folie zu den übereinandergestapelten Folien hinzugefügt wird, die voll ausgefüllte metallisierte Bohrungen enthält, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Bohrungen in den übrigen Folien und damit das Ende der übrigen, miteinander ausgerichteten Bohrungen verschließt.
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