DE2703956A1

DE2703956A1 - Verfahren zur herstellung einer mehrschichtkeramik

Info

Publication number: DE2703956A1
Application number: DE19772703956
Authority: DE
Inventors: Linda Ann Blazick; Lewis Franklin Miller
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-02-03
Filing date: 1977-02-01
Publication date: 1977-08-04
Also published as: US4109377A; GB1565421A; DE2703956C2; FR2340288A1; FR2340288B1; CA1078079A; JPS5615159B2; JPS5295058A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 975 029

Verfahren zur Herstellung einer Mehrschlchtkeramlk

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtkeramik als Träger für Halbleiterchips.

Das Sintern eines keramischen Körpers ist eine Funktion vieler Parameter einschließlich der Dichte der grünen oder ungesinterten Keramikblätter, des Bindemittelgehalts und Typs, der Keramikzusammensetzung und Teilchenverteilung und der Sinterungsbedingungen einschließlich der ümgebungs- und tatsächlichen Temperatur. Eine voraussagbare Schrumpfungsrate und die Endschrumpfung in Prozent können erhalten werden durch einen kontrollierbaren Satz dieser Variablen. Es ist jedoch wesentlich, über einen reproduzierbaren Herstellungsprozeß zu verfügen, damit diese Variablen kontrolliert werden können. Ähnliche Überlegungen erstrecken sich auf die leitenden Materialien, die auf die Keramikkörper aufgebracht werden. Kompositstrukturen der leitenden und Keramikmaterialien, die in elektronischen Moduln verwendet werden, zeigen ein verändertes Sinterungsverhalten als Folge der Spannungen, die die Kombination keramischer und leitender Materialien aufeinander während des Sinterungsprozesses ausüben. Um eine relativ spannungsfreie, nicht verformte, feste Kompositstruktur zu erhalten, müssen die Schrumpfungsraten des leitenden oder metallischen Teils und des keramischen Teils sehr genau aneinander angepaßt werden. Sollte beispielsweise der leitende Teil viel schneller zu einem Endwert schrumpfen als der keramische Teil, dann bewirkt die verbleibende

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keramische Schrumpfung eine Spannung und führt zu unerwünschter Rißbildung in dem Endprodukt. Es ist in starkem Maße erwünscht, daß die Schrumpfung der metallischen Teile und der keramischen Teile aneinander angepaßt sind während der ganzen Dauer der Sinterung .

Die Veröffentlichung 'Metal-Ceramic Constraints for Multilayer Electronic Packaging", von D. A. Chance und D. L. Wilcox in Proceedings of the IEEE, Vol. 59, Nr. 10, Oktober 71, Seiten 1455 bis 1462 betrifft die chemische und physikalische Verträglichkeit zwischen keramischen und metallischen Teilen, die bei erhöhten Temperaturen zusammen erhitzt oder gesintert werden. Dort wird ausgeführt, daß eine ungenaue Steuerung der Schrumpfung zu Rissen, Krümmungen des gesinterten Teils, Restspannungen und zum Verlust der Metall-Keramikhaftung führt. Die Autoren schlagen vor, die Teilchengrößenverteilung und die Beschickung der Metallpaste mit Metallteilchen zu ändern, um ein gut aufeinander abgestimmtes System zu erhalten.

Leitende Metallisierungszusammensetzungen, die ein schwer schmelzbares oder ein Edelmetall und Oxide der schwer schmelzbaren oder Edelmetalle enthalten, sind aus der US-Patentschrift 3 09 3 490 bekannt. Aus dieser Patentschrift ist eine leitende Metallisierungszusammensetzung aus Molybdän und Molybdäntrioxid, die auch Mangan enthält, bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Keramik anzugeben, bei dem die Schrumpfung der metallischen Zusammensetzung sehr gut an die Schrumpfung des keramischen Materials angepaßt ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Paste aus einer Mischung von Metall- und Metalloxidteilchen im Verhältnis 1:1 bis 9:1 und einem Trägermittel in einem Muster auf

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ungesinterte keramische Schichten aufgetragen, das Muster getrocknet und die Anzahl der Schichten bei einem Druck größer als 175,8 kg/cm laminiert wird und die Schichtung bei erhöhter Temperatur gesintert und auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Die Verwendung eines Metalloxidpulvers zusammen mit einem Metallpulver gestattet eine ausgezeichnete Einstellung der Schrumpfung bei der Herstellung mehrschichtiger keramischer Substrate.

Als Keramikkomponente können die üblichen Materialien wie Aluminiumoxid, Mullit, Berylliumoxid, Titanate und Speckstein verwendet werden. Geeignete Metallisierungszusammensetzungen schließen Molybdän, Wolfram und Edelmetalle, die Oxide zu bilden vermögen ein, beispielsweise Silber und Palladium. Die Metallisierungszusammensetzung wird so eingestellt, daß das Verhältnis von Metall zu Metalloxid 1:1 bis 9:1 beträgt, je nach den Schrumpfungsbedingungen des keramischen Materials, mit dem die leitende Zusammensetzung zusammen erhitzt wird. Die Makroteilchenmischung mit einem Gehalt an Metall und Metalloxid wird in einem geeigneten Muster wenigstens auf einen Teil der keramischen, ungesinterten sog. grünen Blätter oder Substrate, aus denen die mehrschichtige keramische Struktur hergestellt werden soll, aufgetragen. Die Muster werden dann getrocknet. Die Vielzahl der aufeinandergeschichteten Keramikschichten wird dann laminiert, indem auf sie ein erheblieher Druck größer als 175,8 kg/cm angewendet wird. Das Laminat wird dann bei erhöhter Temperatur gesintert und abgekühlt. Als Ergebnis wird ein mehrschichtiges Keramiksubstrat, welches frei von Spannungen, Rissen und Verwerfungen ist, erhalten. Die gesinterte Metallurgie ist dicht und leitend.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden speziellen Beschreibung und der Ausführungsbeispiele näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt ein Fließbild, aus der die vorliegende Erfindung ersichtlich ist;

Fig. 2 zeigt einen auseinandergezogenen Stapel von keramischen Schichten mit Metallisierungsmustern einer mehrschichtigen keramischen Struktur;

Die Fign. 3A, 3B und 3C zeigen die Schritte, die beim Laminieren und Brennen des mehrschichtigen keramischen Substrats angewendet werden;

Die Fign. 4A und 4B zeigen Strukturen von Durchführungsöffnungen in einer mehrschichtigen keramischen Struktur; Fig. 5 zeigt die Lage eines Halbleiterchips in einem mehrschichtigen keramischen Modul;

Die Fign. 6A und 6B weisen auf das Problem der Rißbildung zwischen den Durchführungsöffnungen in mehrschichtigen keramischen Substraten hin.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele: Ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Keramik umfaßt die Herstellung von ungesinterten, sogenannten grünen keramischen Schichten oder Blättern, die Herstellung einer leitenden Paste, das Auftragen dieser leitenden Paste auf die ungesinterten Keramikschichten und die Stapelbildung, das Laminieren und Erhitzen der keramischen Blätter zu der endgültigen mehrschichtigen keramischen Struktur. Verfahren dieser Art sind im allgemeinen bekannt und sind in der Veröffentlichung Ά Fabrication Technique for Multilayer Ceramic Module¹, von H. A. Kaiser et al, Solid State Technology, Mai 1972, Seiten 35 bis 40 und in der US-Patentschrift 2 966 719 beschrieben.

Das keramische, ungesinterte Blatt wird in der Weise hergestellt, daß die entsprechenden Mengen des keramischen Pulvers und der Glasfritte ausgewogen werden und die Teilchen in einer Kugelmühle oder einer anderen Mischvorrichtung gemischt werden. Das organische Bindemittel, welches thermoplastische Harze, Weichmacher und Lösungsmittel umfaßt, wird dann zugegeben und mit dem keramischen

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und Glaspulver In einer Kugelmühle gemischt. Ein Schlamm oder eine geschlemmte Tonmasse wird zu einem Band verformt durch Extrudieren oder mittels einer Rakel. Durch Trocknen des so hergestellten Bandes wird der Lösungsmittelbestandteil in dem Bindemittelsystem entfernt. Nachdem das Band vollständig getrocknet ist, wird es in Arbeitsstücke oder Blätter geschnitten; in den Blättern werden Ausrichtlöcher zusammen mit den Durchführungsöffnungen gebildet, wobei letztere selektiv in die Arbeitsstücke werden. Die Durchführungsöffnungen werden, wenn es erwünscht ist mit einer leitenden Zusammensetzung gefüllt, die eine elektrische Verbindung der einzelnen Schichten untereinander in der mehrschichtigen keramischen Struktur ermöglicht.

Die Herstellung der leitenden Paste und der noch verbleibenden Schritte zur Ausbildung eines mehrschichtigen keramischen Moduls oder Substrats werden anhand der Fign. 1 und 2 erklärt. Das Fließbild der Fig. 1 zeigt die Ausführungsform mit der bevorzugten Metall-Metalloxidmischung, in der Molybdänpulver und Molybdäntrioxidpulver in trockenem Zustand in einem Verhältnis 1:1 bis 9:1 gemischt werden. Die bevorzugte mittlere Teilchengröße für Molybdän liegt bei etwa 1,5 bis 3,5 Mikron und für Molybdäntrioxid bei etwa 2 bis 5 Mikron. Ein geeignetes Trägermittel oder Lösungsmittel wird mit dem trockenen Pulver gemischt und dann in einer geeigneten Mühle, beispielsweise einer Dreirollenmühle zu einer Paste vermählen. Das gewählte Trägermittel, welches bei oder unterhalb der Brenn- oder Sintertemperatur aus der Keramik verdampft, wird so gewählt, daß nur die restliche Metallisierung zurückbleibt, nachdem der Herstellungsprozeß abgeschlossen ist. Nach dem Mahlen der Paste wird diese in einem Siebdruckverfahren auf das ungesinterte Blatt aufgetragen. Wenn elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Schichten notwendig sind, müssen Löcher vor dem Siebdrucken in das Blatt gestanzt werden, und es muß zum zweiten Mal ein Siebdruckverfahren angewendet werden, um die Durchführungeöffnungen zu füllen. Alternativ kann das Siebdrucken nur einmal durchgeführt werden, wobei gleichzeitig die

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Oberfläche bedeckt und die Paste in die Durchführungsöffnungen eingebracht wird. Danach wird die Paste getrocknet, indem die Blätter in einen Ofen gelegt werden und auf verhältnismäßig niedrige Temperaturen, beispielsweise auf 60 bis 100 ⁰C während 15 bis 60 Minuten erhitzt werden, oder die Paste wird einfach an der Luft getrocknet.

Fig. 2 zeigt eine Anzahl von Schichten der Keramik, die mit verschiedenen leitenden Mustern bedeckt sind und welche in der gewünschten Reihenfolge aufeinandergeschichtet sind. Der Stapel kann sorgfältig ausgerichtet werden unter Verwendung von Ausrichtstiften (nicht gezeigt), so daß alle leitenden Linien von Schicht zu Schicht sorgfältig ausgerichtet sind. Die oberste Schicht 10 in Fig. 2 ist mit zwei Mustern 12 versehen, die zum Anbringen von Halbleiterchips 14 geeignet sind. Diese besonderen Chips besitzen Kontakte nach unten. Die nächste Schicht 16 besitzt zwei leitende Muster 18, die durch leitende Durchführungsöffnungen durch die Schicht 10 hindurch Verbindung mit den leitenden Linien 12 besitzen. Andere Durchführungsöffnungen durch die Schicht 16 ermöglichen Schaltkreisverbindungen zu den nachfolgenden Schichten 20, 22 und der restlichen Gruppe der Schichten 24, damit die erforderlichen Schaltkreisverbindungen für den Ein- und Ausgang der Signale zu den Halbleiterchips 14 ermöglicht werden. Diese Durchführungsöffnungen besitzen einen gestanzten Durchmesser von etwa 0,127 bis 0,178 mm auf Zentren von etwa 0,254 bis 0,305 mm.

Der aufgeschichtete Stapel von grünen keramischen Schichten wird in eine Laminierpresse gegeben. Mäßige Hitze und Druck werden angewendet. Der bevorzugte Druck für Aluminiumoxidkeramik ist größer als 175,8 kg/cm , und die Temperatur liegt bei etwa 80 bis 100 ⁰C. Bei diesem Schritt erweicht das thermoplastische Bindemittel in den grünen Keramikblättern und die Schichten verschmelzen miteinander, wobei sie sich um die Metallisierungsmuster deformieren und diese vollkommen einschließen. Als Ergebnis zeigt der ungesinterte Stapel keinerlei Anzeichen einzelner Schichten. Der

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Stapel von ungesinterten Blättern wird dann zu der Größe der fertiggestellten Moduln plus einer Zugabe für die Schrumpfung zersägt oder gestanzt. Der ungesinterte Modul wird in einein geeigneten Ofen erhitzt, wobei der Modul auf eine Temperatur von Zimmertemperatur bis über 1450 ⁰C mit einer Geschwindigkeit von 140 ⁰C pro Stunde gebracht wird, und anschließend wird der Ofen 1 bis 5 Stunden lang auf einer Temperatur von 1500 bis 1600 ⁰C gehalten, um die grüne Keramik zu sintern. Die Sinterung erfolgt in einer Umgebung von nassem Wasserstoff. Die Temperatur wird dann mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 ⁰C pro Stunde wieder auf Zimmertemperatur reduziert.

Die Auswirkung des Laminierens und Sinterns einer mehrschichtigen Struktur kann besser unter Bezugnahme auf die Fign. 3A, 3B und 3C erklärt werden. Drei grüne ungesinterte Keramikschichten 30, 32 und 34 mit Schichten aus leitender Paste 36, 38 und 40 sind in der Fig. 3A gezeigt. Auch gezeigt sind Durchführungsöffnungen 42, 44 und 46, welche mit leitender Paste gefüllt sind. Die Kompositstruktur der Fig. 3A wird unter einem Druck und bei einer Temperatur laminiert, bei denen durch die thermoplastische Natur der grünen Blätter die verschiedenen Schichten aneinander haften und einen einheitlichen Körper bilden. Teile der Keramik und der leitenden Paste werden zusammengedrückt, wo sie miteinander in Berührung kommen. Fig. 3C zeigt die resultierende mehrschichtige Keramikstruktur nach der Sinterung. Diese mehrschichtige Struktur 50 ist, wenn sie aus Aluminiumoxid besteht, uir. 16 bis 18 % geschrumpft. Die resultierende Metallurgie 52 ist, was sehr erwünscht ist, auch um diesen Betrag geschrumpft, wodurch Spannungen und Risse auf das Mindestmaß reduziert werden.

Die Fign. 4A, 4B, 5, 6A und 6B zeigen einige der Fehlermöglichkeiten für Strukturen mit Durchführungsöffnungen in mehrschichtigen Keramikmoduln.

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JO

Fig. 4A zeigt einen nicht gesinterten, laminierten Stapel keramischer Schichten 60 mit einer Durchführungsöffnung 62. Die Fig. 43 zeigt die gesinterte Struktur, bei der die Einheit der keramischen Struktur 64 drei Durchführungsöffnungen 66, 68 und 70 enthält. Durchführungsöffnung 66 ist negativ, weil die Oberfläche der Keramik sich über der Oberfläche der leitenden Durchführungsöffnung befindet. Durchführungsöffnung 68 ist eine ebene Durchführungsöffnung, weil die Oberfläche der leitenden Durchführungsöffnung sich auf dem gleichen Niveau wie die Oberfläche der Keramik 64 befindet. Die Durchführungsöffnung 70 ist eine erhöhte Durchführungsöffnung, weil die Oberfläche der leitenden Durchführungsöffnung sich leicht über die Oberfläche des Keramikmaterials erhebt. Bevorzugt wird eine Durchführungsöffnung 70, auf der ein Halbleiterchip 72, der beispielsweise in Fig. 5 gezeigt ist und der vorstehende metallische Teile 74 aufweist, auf dem mehrschichtigen Keramikmodul befestigt werden soll. Die Durchführungsöffnungen 66 und 68 ergeben im Vergleich mit der Durchführungsöffnung 70 keinen guten Kontakt zu den leitenden vorstehenden Teilen des Halbleiterchips und auch keinen guten Kontakt mit elektrischen Testsonden. Um eine Struktur wie die der Durchführungsöffnung zu erhalten, muß die Beschickung der elektrischen Paste mit Metall und Metalloxidpulver optimiert werden.

Fig. 5 zeigt die Verbindung eines Halbleiterchips mit der Oberfläche eines mehrschichtigen Keramikmoduls 76, wobei die Oberfläche 73 des Moduls verzogen ist. Dies wird bewirkt durch zuviel Druck der leitenden Schichten innerhalb des mehrschichtigen Keramikmoduls während der Sinterung. Die resultierende Struktur kann sich, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, nicht in zufriedenstellender Weise mit den Metallanschlüssen 74 des Halbleiterchips 72 verbinden. Um dieses Problem zu beseitigen, wird, wie oben angegeben, eine wesentliche Menge Metalloxid in die Metallisierungspaste eingearbeitet.

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Die Fign. 6A und 6B zeigen einen mehrschichtigen Keramikmodul 80 mit einer Vielzahl von Durchführungsöffnungen 32. In diesem Beispiel sind Risse 84 zwischen den Durchführungsöffnungen gezeigt, welche durch Druck zwischen der Metallurgie und der sie einschliessenden Keramik erzeugt werden. Der Druck ist eine Funktion der relativen Schrumpfungen während des Sinterns, der Ausdehnungskoeffizienten beim Abkühlen und der Materialfestigkeitseigenschaften. Wiederum kann dieses Problem gelöst werden durch die Einverleibung einer wesentlichen Menge I'etalloxid in die Metallisierungspaste.

Es ist bekannt, daß verschiedene Typen von Leitern in mehrschichtigen Keramikstrukturen brauchbar sind. Am brauchbarsten innerhalb der mehrschichtigen Keramikstruktur sind diejenigen Metalle mit der höchsten Leitfähigkeit. Einige der Metalle mit der höchsten Leitfähigkeit, einschließlich Kupfer und Silber, besitzen relativ niedrige Schmelzpunkte/ und dies schließt ihre Verwendung aus, wenn sie zusammen mit einer Keramik erhitzt werden, die höhere Sinterungstemperaturen erfordert. Für die Verträglichkeit mit den Hochtemperatur-Keramlkmaterialien, welche im allgemeinen bei der Herstellung mehrschichtiger Keramik verwendet werden, sind Metalle mit hohen Schmelzpunkten über 1450 ⁰C erforderlich. Die mehrschichtigen Keramikstrukturen werden bei so hohen Temperaturen gesintert, daß die Verwendung von schwer schmelzbaren leitenden Metallen erforderlich ist. Wie aus der deutschen Patentanmeldung P 24 60 931.2, die bei niedrigen Temperaturen sinterbare Stoffzusammensetzungen betrifft, ersichtlich ist, können auch bei niedrigeren Temperaturen sinterbare Materialien verwendet werden, die die gleichzeitige Verwendung von Silber und Kupfer mit deren Oxiden gestatten. In Tabelle I ist ein Überblick über die Eigenschaften der wichtigsten Metalle, die in mehrschichtigen Keramikstrukturen verwendbar s ind, angegeben:

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	Schmelz punkt	TABELLE I	Dichte (g/cm³)	Elektrischer Widerstand	Thermischer Ausdehnungs
Metall	(°C)	Siede punkt		(u Ohm-cm)	koeffizient
	1966	(⁰C)	12,4	4,7	8,5
Rhodium	2620	4500	10,2	5,7	5,0
Molybdän	3410	4507	19,35	5,5	4,5
Wolfram	1453	5900	8,90	6,84	13,3
Nickel	2450	2730	12,30	9,5	9,6
Ruthenium	1774	4150	21,45	10,6	9,0
Platin	1549	4300	11,97	10,8	11,0
Palladium	2927

In Tabelle II sind die Eigenschaften bestimmter Keramikmaterialien angegeben, welche als Keramik in mehrschichtigen Keramikstrukturen brauchbar sind. Die Tabelle gibt einige der wichtigsten dielektrischen Eigenschaften dieser anorganischen Isolatoren. Wesentlich ist, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metalls so gut wie möglich mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Keramikmaterials übereinstimmt, insbesondere um die zuvor erwähnte Rißbildung zwischen den Durchführungsöffnungen zu vermeiden. j

TABELLE II >

Materialien Widerstand Dielektrische tD/1 Schmelz- Therm. Aus-» bei 25 ⁰C Konstante nsec/cm punkt dehnungs-(0hm· cm) '⁰^

Al₂O₃ 10

BeO 10

ZrSiO₄ 10

MgAl₃O₄ 10

3 Al₂O₃*2 SiO₂ 10

	0,102	rc)	koeffizient (25 ⁰C) (1O~⁶/°C)
9,6	0,091	2072	7,3
6,5	0,098	2565	8,0
8,7	0,096	1775	4,0
8,5	0,081	2135	8,8
6,0	1840	5,3

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*tD/1 = Signaldurchlässigkeitsverzögerung "Ceramics for Packaging", D. L. Wilcox, Solid State Technology, Januar 1971, Seite 42.

Die Verwendung von Metalloxiden zusammen mit dem Metall, beispielsweise von Molybdäntrloxid mit Molybdän in einem Verhältnis 1;1 bis 1:9 ist nützlich, um die keramische Schrumpfung anzugleichen. Durch die Verwendung von Molybdäntrioxid wird eine stärkere Schrumpfung in der Metallurgie erhalten. Dadurch ist eine genauere Kontrolle der Schrumpfung möglich, eine Verformung des Keramikmaterials bleibt vermieden und restliche Spannungen in der Keramik werden reduziert, die eine Rißbildung und Erhebungen innerhalb der mehrschichtigen Keramikstruktur hervorrufen. Während des Sinterns wird das Metalloxid, beispielsweise das Molybdäntrioxid zu Molybdän reduziert und der Sauerstoff durch die Keramik hindurch an die Umgebung abgegeben. Das so hergestellte gesinterte Molybdän ist brauchbar für den genannten Typ von elektronischen Schaltkreisen. Die umgebende Keramikstruktur verhält sich auch wie üblich.

Ausführungsbeispiele:
Beispiel 1

Es wurden vier mehrschichtige Keramikmoduln hergestellt mit 30

2 Keramikschichten und einer Fläche von ungefähr 103,2 cm (4 inches square). Von diesen Schichten waren acht Schichten im wesentlichen mit Metall bedeckt, um die Erdungs- und Spannungsverteilungsebenen, wie beispielsweise Schicht 20 in Fig. 2, nachzubilden. Die verbleibenden Schichten bestanden aus Linienschaltkreismustern. Die dicht bedeckten acht Schichten herrschen in der Metall/Keramikwechselwirkung vor und beeinflussen am unmittelbarsten die Schrumpfung. Die gestanzten Durchführungsöffnungen innerhalb der Struktur besaßen einen Durchmesser von 0,1524 mm (6 Mils). Die Durchführungsöffnungen wurden gleichzeitig mit dem Aufdrucken der Leiterzüge auf die Oberfläche ausgefüllt. Einige der Durchführungsöffnungen gingen direkt durch 28 Schichten hindurch. Die Keramik, die in der Schicht verwendet wurde, war ein hochreines Aluminiumoxid.

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Das Keramikmaterial bestand aus 400 g 89%igem Aluminiumoxid und 11 % Glasfritte, 25,4 g Polyvinylbutyral-Bindemittel mit einem Weichmachergehalt an 9,4 g eines hochmolekularen Esters (Dioctylphthalat). Die Keramik wurde nach dem Verfahren, das in der zuvorgenannten Veröffentlichung von H. A. Kaiser et al beschrieben ist, hergestellt. Geätzte Metallmasken mit Hohlräumen von 25 bis 60 Mikron und einer Gesamtdicke von 0,0635 bis 0,0762 mm wurden verwendet, um die leitende Paste mittels einer Quetschwalze zu extrudieren. Eine Molybdänpaste wurde verwendet mit einer mittleren Molybdänteilchengröße von 2,5 Mikron. Nachfolgend sind uie vier Moduln angegeben, die jeweils nach einer Änderung der Pastenzusammensetzung auf den acht dicht bedeckten Schichten hergestellt wurden, wobei nur der Prozentgehalt der Feststoffe angegeben ist. Das Ergebnis der Schrumpfung ist auch angegeben.

Schrumpfung

Vergleichsprobe (keine Paste auf irgend- 17,7 %

einer Schicht)

86 % Feststoffgehalt 16,6 - 16,7 %

80 % Feststoffgehalt 17,0 %

75 % Feststoffgehalt 17,16 %

Die Ergebnisse zeigen an, daß ein hoher Gehalt an reinem Molybdänpulver die Schrumpfung wesentlich reduziert. Niedrigere Feststoffgehalte haben einen geringeren, aber dennoch positiven Effekt. In dieser Serie reduzierte jedes Prozent Molybdän zwischen 75 % und 86 % die Schrumpfung um etwa 0,05 %.

Beispiel 2

Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt mit der Ausnahme, daß die Metallpastenzusammensetzung in einigen Fällen geändert wurde durch Substitution von Molybdän durch Molybdäntrioxid. Die mittlere Teilchengröße von Molybdän war 2,5 Mikron und von Molybdäntrioxid 3,5 Mikron. Die Änderungen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammen mit den erhaltenen Schrumpfungsergebnissen angegeben:

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Schrumpfung Vergleichsprobe (ohne Paste) 17,7 %

86 % Feststoffgehalt 16,5 - 16,7 %

10 % MoO₃, 85 % Feststoffgehalt 17,05 %

15 % MoO₃, 80 % Feststoffgehalt 17,51 %

Molybdäntrioxid hat einen wesentlichen Einfluß auf die Schrumpfung, wenn es Molybdänmetall ersetzte, wie aus den obigen Ergebnissen ersichtlich ist.

Beispiel 3

Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt mit der Ausnahme, daß der Molybdäntrioxidgehalt und der Druck während des Laminierens geändert wurden, wie aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich ist:

175,8 kg/cm² 211 kg/cm²

Vergleichsprobe (ohne Paste) 17,56% 17,4% 25 % MoO₃, 80 % Feststoffgehalt 17,54 % 17,39 %

Wie aus diesen Ergebnissen ersichtlich ist, bewirkt jedes Prozent Molybdäntrioxid eine Zunahme der Schrumpfung von etwa 0,012 %. Die Paste mit MoO. hatte die gleiche Schrumpfung wie die Vergleichsprobe .

Beispiel 4

Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt mit der Ausnahme, daß der Durchmesser der Molybdänmetallteilchen zwischen 2,8 Mikron und 1,8 Mikron variierte. Die Änderung ist in der nachfolgenden Tabelle zusammen mit den Schrumpfungsergebnissen gezeigt:

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Schrumpfung

Vergleichsprobe (ohne Paste) 17,74 %

85/15 (2,8/1,8) 17,31 - 17,36 %

75/25 (2,8/1,8) 17,22 %

50/50 (2,8/1,8) 17,29 %

Die Ergebnisse zeigen keine Verbesserung an, die aus der Änderung des Verhältnisses von Molybdänmetallteilchen mit einem Durchmesser von 2,8 Mikron und 1,8 llikron resultierte.

Beispiel 5

Die Verfahrensschritte von Beispiel 1 wurden wiederholt mit der Ausnahme, daß eine Art Seidensiebdruck verwendet wurde. Dieses Verfahren bestand aus einem Muster, welches in einer photoempfindlichen Emulsion ausgebildet wurde, die auf ein Edelstahlsieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm (325 mesh US-Standard aufgetragen war. Diese Maske wird in ähnlichen Verfahren zur Herstellung von Masken, wie geätzte Metall- oder galvanisch hergestellte Metallmasken oder Schablonen verwendet. Nachfolgend sind die Ergebnisse angegeben, aus denen deren Abhängigkeit von der Schichtdicke des Emulsionssiebes ersichtlich ist:

Schrumpfung

Vergleichsprobe (ohne Paste) 17,74 %

ursprüngliches Sieb (0,0711 mm) 17,0 - 17,25 %

dünnes Sieb (0,0356 mm) 17,0 - 17,16 %

Es war keine Auswirkung der verschiedenen Schichtdicken der Emulsionssiebe feststellbar.

Die Beispiele 1 bis 5 zeigen, daß die Schrumpfung der nicht metallisierten Vergleichsprobe am besten durch die Verwendung von MoO^ zusammen mit Molybdän ausgeglichen werden konnte, im Gegensatz zur Anpassung des Feststoffgehalts der Paste oder der Teilchengröße, oder sogar der Dicke der Paste auf den sehr dichten Muster-

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schichten.
Beispiele 6 bis 14

Eine Testprobe mit vier keramischen Schichten wurde verwendet, in der sich auf den beiden mittleren Schichten das oben erwähnte
dichte Metallisierungsmuster befand und die beiden äußeren Schichten unbedruckte Keramikschichten waren. Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit Änderungen in der Trägermittelzusammensetzung und in dem Prozentgehalt von ilolybdäntrioxid, wie aus der nachfolgenden Tabelle III ersichtlich ist.

	Trägermittel typ	TABELLE III	% MoO₃	Pastenge wicht Gr.	Schrumpfung beim Sintern, %
Beispiel	_	% Pulver	_	_	18,6
6	1	_	0	1,5	17,7
7	1	80	15	1,6	18,1
8	1	80	25	1,6	18,3
9	1	80	33	1,5	18,4
10	1	80	50	1,5	18,3
11	2	80	0	1,4	17,8
12	2	80	10	1,4	18,2 - 18,3
13	2	80	20	1,1	18,2 - 18,3
14	80

Die Zusammensetzungen der beiden verwendeten Trägermittel sind nachfolgend angegeben:

Trägermittel, Typ 1: 35 % Leinöl-Gel

2,5% Oleoylsarkosin
10 % hydriertes Rizinusöl
28,9% Kohlenwasserstoffharz
18,3% petrochemisches Tintenöl
5,3% Diäthylenglykolmonobutylätheracetat

Trägermittel, Tpy 2: 20 % N-50 Äthylcellulose

80 % Diäthylenglykolmonobutylätheracetat

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Diese Reihe zeigt wiederum, daß die Schrumpfung des nicht metallisierten Teils (Beispiel 6) angenähert wird, wenn mehr MoO₃ verwendet wird. Beispiel 11 zeigte nicht die erwartete Schrumpfungszunahme im Vergleich mit Beispiel 10, und dies wird einem experimentellen Fehler zugeschrieben. In Abhängigkeit vom Format kann ein optimales Ergebnis bei Verwendung von etwa 20 bis 33 % MoO₃ erhalten werden. Dieser Effekt tritt auf, unabhängig davon, ob das polare Trägermittel Typ 2 oder das nichtpolare Trägermittel Typ 1 verwendet wird.

Beispiel 15

Die Schrumpfung der Paste selbst wurde festgestellt durch Auftragen eines dichten Musters auf Papier, Trocknen desselben und Ausmessen spezifischer Vergleichswerte des Musters. Das Muster wurde dann in der gleichen Weise wie die mehrschichtige Keramik gesintert, und die gesinterten Vergleichswerte wurden nochmals gemessen. Die Schrumpfung war die Differenz zwischen den getrockneten und gesinterten Dimensionen.

Pastentyp % Schrumpfung

Reines Mo 13,5 - 14 %

10 % MoO₃ 17 %

25 % MoO₃ 21 %

Dadurch wird bestätigt, daß durch die Zugabe von Molybdäntrioxid eine wesentliche Erhöhung der Schrumpfung ohne die Gegenwart von keramischem Material eintritt.

Beispiel 16

Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt mit der Ausnahme, daß der Taupunkt des Wasserstoffgases in dem Sinterofen von 45 C auf 55 ⁰C angehoben wurde. Die Teile mit 25 % MoO₃ in den acht dichten Schichten wurden durch den Wechsel der Sinterungsumgebung, weniger beeinflußt.

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Pastentyp Änderung der Schrumpfung

reines Mo 1 %

25 % MoO₃ 0,2 %

Beispiel 17

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die Paste in den Durchführungsöffnungen der Schichten 2 bis 5 geändert wurde, um den Einfluß auf die Erhöhung der Durchführungsöffnung in der obersten Schicht und die Ausbildung von IUssen zwischen den obersten üurchführungsöffnungen zu prüfen. Die Durchführungsöffnungen besaßen einen Durchmesser von O,127 mm auf Zentren mit einem Durchmesser von 0,254 mm.

Erhöhung der

Paste in den Risse auf der Röntgenstrahl- Durchführungs-Schichten 2-5 Oberfläche beanspruchung öffnung

Mo (85 % Pulver) viele 2812 - 4218 kg/cm² 0,0254 mm 10 % MoO₃ sehr wenige 1757,5 kg/cm 0,0152 mm

(80 % Pulver)

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Gegenwart von MoO₃ in den obersten Schichten die Bildung von Rissen und Erhöhungen an der Oberfläche reduziert. Die Beanspruchung in den oberen Durchführungsöffnungen wird durch die Gegenwart von MoO₃ wesentlich reduziert. Die Röntgenstrahlbeanspruchung ist ein Maß für die Verschiebung der Kristallgitterparameter, die durch die Spannung der nicht übereinstimmenden Materialien Metall und Keramik verursacht wird. Die Reduzierung der Beanspruchung wird zurückgeführt auf eine verbesserte Anpassung bei der Sinterung und den reduzierten Feststoffgehalt in der Mo0₃-Paste.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.) Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtkeramlk als Träger für Halbleiterchips, dadurch gekennzeichnet, daß eine Paste aus einer Mischung von Metall- und Metalloxidteilchen im Verhältnis 1:1 bis 9.1 und einem Trägermittel in einem Muster auf ungesinterte keramische Schichten aufgetragen, das Muster getrocknet und die Anzahl der Schichten bei einem Druck größer als 175,8 kg/cm laminiert wird und die Schichtung bei erhöhter Temperatur gesintert und auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus Molybdän und Molybdäntrioxid, oder Wolfram und Wolframtrioxid, oder Palladium und Palladiumoxid verwendet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Paste an Metall- und Metalloxidteilchen 75 bis 36 Gew.% beträgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße der Molybdänteilchen etwa 1,5 bis 3,5 Mikron und die der Molybdäntrioxidteilchen etwa 2 bis 5 Mikron beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Laminierdruck unter 316,35 kg/cm und die Sinterungstemperatur über 1450 °C liegen.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramiksubstrat Aluminiumoxid verwendet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 gekennzeichnet durch die Verwendung einer Paste mit einem Gehalt an Metall- und

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ORIGINAL INSPECTED

Metalloxidteilchen im Verhältnis 1:1 bis 9:1, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Keramiksubstrat aufweist.

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