DE2952161A1

DE2952161A1 - Duennfilmschaltung

Info

Publication number: DE2952161A1
Application number: DE19792952161
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr.rer.nat. Ingo 7900 Ulm Steiner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-12-22
Filing date: 1979-12-22
Publication date: 1981-06-25

Description

Dünnfilmschaltung
Die Erfindung betrifft eine Dünnfilmschaltung, bestehend aus einem Leiternetzwerk mit integrierten Widerständen aus schlecht leitendem Schichtmaterial auf einem Trägerkörper aus elektrisch nichtleitendem Material.
Derartige Dünnfilmschaltungen finden derzeit ihren Einsatz bevorzugt in der Mikrowellentechnik in Form von sogenannten "Microwave Integrated Circuit 3 MIC, wo sie entweder direkt als passive Bauelemente eingesetzt werden oder durch Einfiigen von Halbleitern und gegebenenfalls Kondensatoren zu komplexeren hybriden Bausteinen weiterverarbeitet werden.
Derartige Dünnfilmschaltungen, welche auch integrierte Widerstände beinhalten, können derzeit nach verschiedenen Techniken hergestellt werden, z. B. durch Aufdampfen von Nickel/Chrom-Gold oder Nickel/Chrom-Kupfer oder durch Aufsputte@@ @ von Tantal-Gold oder durch stromloses Abscheiden von Nickel auf einen nichtleitenden Trägerkörper und anschließendes galvanisches Verstärken der Leiterschicht mit Gold oder Kupfer. Durch selektive Xtzprozesse wird dann das Leiterbild und das Widerstandsbild erzeugt.
Allen diesen Dünnfilmschaltungen haftet der Nachteil an, daß sich zwischen der Leiterstruktur und dem nichtleitenden Trägerkörper eine schlecht leitende Schicht aus z. 3.
Nikel/Chrom oder Tantal oder stromlos aufgebrachtem Nickel/Phosphor befindet. Diese Schicht dient an den Stellen, wo sie nicht von einem Leiter bedeckt ist als Widerstandsschicht zur Integration von Widerständen, und an den Stellen, wo sie von einem Leiter bedeckt ist, als haftvermittelnde Zwischenschicht zwischen dem Leitermaterial und dem nichtleitenden Trägerkörper und verschlechtert damit die elektrischen Eigenschaften des Leiters.
Dieses macht sich besonders bei hohen Frequenzen (z. 3.
im GEz-Bereieh) durch einen Güteabfall von Resonatoren oder durch erhöhte Dämpfung von Streifenleitungen bemerkbar.
rufgabe der Erfindung ist es, eine allgemeine Dünnfilmschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher die Leiter auch im Hochfrequenzbereich nur geringe elektrische Verluste aufweisen.
Diese rufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Dünnfilmschaltung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die FIG. 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Dünnfilaschaltung an einem einfachen ufbau: Auf den Trägerkörper 1 ist, als erste Schicht, das Leiter netzwerk, das hier nur mit den Aussehnitten 2 dargestellt ist. aufgebracht Zwischen den beiden Leiterbahnabschnitten ist ein Widerstand vorgesehen, der durch die Spur 3 aus einer Schicht schlecht leitenden Materials realisiert ist. In den Kontaktbereichen 4 überlappen die Widerstandsschicht und die Leiter zur Herstellung einer elektrischen Verbindung.
Du Wesen der Erfindung wird am anschaulichsten durch die nachfolgenden Beispiele für den Aufbau einer solchen Schaltung und mögliche Verfahren zur Herstellung, insbesondere auch zur haftfesten Aufbringung einer Leitersohicht auf den Trägerkörper ohne haftvermittelnde Zwischenschicht, beschrieben.
Beispiel 1 Ein Substrat aus hochreiner Aluminiumoxid-Keramik (99,5 % Al2O3) wird mit einer haftvermittelnden 0.5/um dicken Kupferschicht - im folgenden Kupfer-Haftschicht genannt - beschichtet. Ein vorteilhaftes Verfahren hierfür ist beispielsweise in der DE-OS 25 33 524 beschrieben.
Der spezifische Widerstand der Haftschicht beträgt ca 2µ##cm. Darauf werden galvanisch 9 µm Kupfer und zuletzt 1/um Gold abgeschieden. Nach Maskierung der Leiter auf fotolithographischem Wege wird das Leiterbild durch Ätzstrukturierung mit den bekannten Ätzlösungen für Gold und Kupfer strukturiert. Die Fotolackmaske wird anscnließend entfernt.
Dann wird ganzflächig die Widerstandsschicht durch stromlose Abscheidung einer dünnen Nickel/Phosphor-Schicht (durch vorhelrige Aktivierung auch auf den nichtleitenden Flächen der Keramik) darüber abgeschieden. Nach Aurbringen einer Fotolackmaske wird durch Ätzen mit z. B. Eisen (III)-chlorid-Lösung die überschüssige Nickel-Phosphor-Schicht bis auf die Stellen,an denen sie als Widerstand fungieren soll und geringe Uberlappungszonen zur iontaktierung an den Leiter entfernt. Die Leiter sind durch das Gold vor einem Angriff des Ätzmediums geschützt.
Beispiel 2 Ausgehend von einem Aluminiumoxid-Substrat wird das Leiterbild, wie im Beispiel 1 beschrieben, hergestellt.
Zur Aufbringung der Widerstandsstruktur wird ein Molybdänblech, welches Aussparungen für die Wiederstandsstruktur mit den Kontaktierungszonen enthält, im direkten Kontakt mit der Leiterseite des Substrats gebracht. Das Ganze wird in eine Vakuum-Anlagb eingebracht und durch Verdampfen von Nickel und Chrom wird an den durch die Molybdänmaske freigelassenen Stellen des Substrats die Widerstandsschicht selektiv durch Kondensation abgeschieden.
Beispiel 3 Ausgehend von einem Substrat aus Bariumtitanat (Ba Ti O3) wird dieses wie in Beispiel 1 mit einer 0,5/um dicken Kupfer-Haftschicht ganzflächig beschichtet. Dann wird eine Fotolackmaske aufgebracht, welche nur die Stellen frei läßt, an welchen später die Widerstandsschicht gewünscht wird (Widerstände und Kontaktzonen). An den Fotolackfenstern wird die Kupfer-Haftschicht durch eine übliche Xtslösung entfernt. In einer VakuumkAmmer wird dann eine Tantalschicht ganzflächig aufgesputtert, welche als Widerstandsschicht fungiert. Da diese sehr dünn ist, (einige 100 2) wird sie beim anschließenden Strippen des Fotolacks mit einem geeigneten Lösungsmittel gegebenenfalls unter Anwendung von Ultraschall an den Stellen, wo sie sich auf Fotolack befindet, mit diesem abgehoben ("Liftoff").
Die Widerstandaschicht verbleibt jedoch an den gewünschten 8to' en auf dem Substrat, nämlich dort, wo sich kein Fotolack befand. Nun wird eine Fotolackmaske aufgebracht, welche nur die Stellen frei läßt, an denen Leiter entstehen sollen (die Widerstande sind bis auf ihre Kontaktierungsstellen ebenfalls abgedeckt). Durch galvanisohe Abscheidung von z. B. 9 µm Kupfer und µm Gold in den Fotolackfenstern werden die Leiter aufgebracht. Nach Entfernen des Fotolacks wird durch ein selektives ätzmittel, welches Gold und die Tantalwiederstände nicht angreift (z. B. Salpetersäure) die überschüssige Kupfer-Haftschicht entfernt.
Beispiel 4 Auf glasfaserverstärkten Epoxidharzplatten, wie sie für die Herstellung gedruckter Schaltungen üblich sind, wird nach einem entsprechenden Beizschritt (z. B. nach dem SAN-Verfahren DE-AS 21 26 781) stromlos eine 2/um dicke Kupferschicht ganzflächig abgeschieden. Dann wird eine Fotolackmaske aufgebracht, welche nur die Stellen frei läßt, an welchen später die Widerstandsschicht gewünscht wird.
In den Fotolackrenstern wird das Kupfer durch Ätzen entfernt. Dann wird ganzflächig die Widerstandsschicht durch stromloses Abscheiden einer Nickel-Phosphor-Schicht aufgebracht. Beim anschließenden' Strippen des Fotolackes wird sie, wie in Beispiel 3, dort, wo sie auf dem Fotolack abgeschieden wurde, mit diesem abgehoben und verbleibt nur an den gewünschten Stellen auf dem Epoxidharz, umgeben von der 2/um dicken stromlosen Kupferschicht.
Hierauf wird wieder eine Fotolackmaske für den semiadditiven Aufbau des Leiternetzwerkes aufgebracht, welche die Stellen frei lädt, an welchen die Leiter entstehen sollen.
In die Fotolackfenster wird jetzt galvanisch 35/um Kupfer abgeschieden.
Nach Entfernen der Fotolacknaske folgt ein Schritt, welcher als Differenzätzen bezeichnet wird: Ganzflächig werden 2/Um Kupfer mit einer selektiven Ätzlösung, welche die Widerstände nicht angreift (z. B. eine wässrige Lösung von Cr03 und H2SO4), abgetragen. Dabei wird die überschüssige stromlose Vorverkupferung restlos entfernt, während die Leiterdicke von 37um auf 35µm reduziert wird. Damit erhält man auch auf Leiterplattenmaterial die erfindungsgemäße Dünnfilmschaltung mit partiell integrierten Widerständen.
Um die elektrischen Vorteile der erfindungsgemäßen Dünnfilmschaltung gegenüber herkömmlichen aufzuzeigen, sind in FIG. 2 die leerlaufgüten von Ringresonatoren als Funktion der Frequenz gegenübergestellt.
Die Messungen erfolgen an einem Ringresonator aus einer Leitung mit 50 Q Wellenwiderstand und einer Grundresonans von 2 GHz auf einem Aluminiumoxid-Keramik-Substrat (99,5% Al2O3).
Kurve A stellt den theoretisch erreichbaren Grenzwert dar.
Kurve B zeigt die an einer erfindungsgemäßen Dünnfilmschaltung nach Beispiel 1 gemessenen Werte.
Kurve a zeigt die Meßwerte an einer herkömmlichen Dünnfilmechaltung mit einer haftvermittelnden Nickel-Chrom-Winderstandsschicht zwischen Leiter und Substrat.
Kurve A 4 zeigt die Meßwerte an einer herkömmlichen Dickfilmechaltung, welche zwar keine Widerstandsschicht unter den Leiter enthält, Jedoch eine allgemein schlechte elektrische Leitfähigkeit des Leiters lurch Beimengung von Glasfrittenanteilen zur Leiterpaste zeigt.
Kurve E zeigt did Meßwerte an einer herkömmlichen Dünnfilmechaltung, wobei sich zwischen Leiter und Substrat eine Widerstandsschicht aus stromlos aufgebrachtem Nickel-Phosphor mit einem Flächenwiderstand von 50#/# befand.
FIG. 2 macht deutlich, welche elektrischen Vorteile die erfindungsgemäße Dünnfilmschaltung mit partiell integrierten Widerständen gegenüber herkömmlichen bietet, welche eine schlecht leitende Widerstandeschicht zwischen Leiter und Substrat beinhalten.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Dünnfilmschaltung, bestehend aus einem Leiternetzwerk mit integrierten Widerständen aus schlecht leitendem Schichtmaterial auf einem Trägerkörper aus elektrisch nichtleitendem Material, dadurch gekennzeichnet, daß sich die schlecht leitende Widerstands schicht nur an den St eilen (3), wo sie eine vorgesehene Funktion als elektrischer Widerstand ausübt, und - zur Herstellung einer elektrischen Verbindung des Widerstandes zu einem Leiter - an die Leiterbahn (2) geringfügig überlappenden Kontaktbereichen (4) auf dem Trägerkörper (1) befindet.
2. Dünnfilmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die iderstandsschicht aus Nickel oder aus einer Nickellegierung besteht.
3. Dünnfilmschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzich.

net, daß der Flächenwiderstand der Wiederstandsschicht höher als O,lfl / ist.
4. Dünnfilmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter vorwiegend aus einem galvanisch abscheidbaren Metall aus der Gruppe Cu, Ag, Au, Pd, Rh, Re, Pt oder einer Legierung aus einem oder mehreren dieser Metalle besteht.
5. Dünnfilmschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstaud aller am Leiteraufbau beteiligten Metalle oder Legierungen kleiner als 10µ##cm ist.
6. Dünnfilmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände und/oder die Leiterbahnen mit einer nichtleitenden Schicht abgedeckt sind, um sie gegen Umwelteinflüsse und/oder gegen mechanische Beschädigung au schützen.
7. Dünnfilmschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer nichtleitenden Schicht abgedeckten Leiter von einer weiteren Schicht überdeckt sind, wodurch die erfindungsgemäße Dünnfilmschaltung auch Kondensatoren und/odor Leiterbahnkreuzungen enthält.
8. Dünnfilmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Trägerkörper aus Glas, Keramik oder einem anderen oxidischen Material besteht.
9. Dünnfilmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Trägerkörper aus einem organischen Material, gegebenenfalls mit eingebauten Füllstoffen oder Faserwerkstoffen oder Farbstoffen besteht.