DE3225178A1 - Mehrebenenschaltung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Mehrebenenschaltung und verfahren zu ihrer herstellung

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Description

  • Nehrebenenschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • Die Erfindung betrifft eine Mehrebenenschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein diesbezügliches Verfahren zur Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
  • In der Zeitschrift Elektronik, Produktion und Prüftechnik, November 1981, Seiten 621 bis 623 ist beschrieben, wie eine solche Mehrebenenschaltung aussehen kann, deren Hauptzweck es ist, eine höhere Packungsdichte von elektronischen Bauelementen zu erzielen. Es werden dazu mehrere einseitig mit teiterzügen undXodermf- integrierten Schaltkreisen versehene, scheibenförmige Sewamissubstrate übereinander gestapelt, wobei auch in Stapelrichtwng dieser Block von Keramikscheiben oder -ebenen von Leiterzügen durchzogen sein kann, welche durch Durchbrche innerhalb der einzelnen Ebenen elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Ebenen herstellen.
  • In den Wissenschaftlichen Berichten AEG-TELEFUNKEN 52 (1979) 1 - 2, Seiten 71 bis 77, sind "Mikrowellenschaltungen nach dem CMS-Ver£ahren" beschrieben, mit denen es gelingt, die Vorteile der Dünnschichttechnik und der Dickschichttechnik miteinander zu kombinieren.
  • Das Verfahren basiert auf der chemischen, außenstromlosen Metallisierung von Nichtleitern (insbesondere von Keramik) und orientiert sich in seinem Ablauf an der einfachen Herstellungstechnologie der Leiterplatten.
  • Da das Verfahren außerdem im Prinzip eine Dünnschichttechnik darstellt, liefert es Mikrowellenschaltungen hoher Präzision und Güte und erlaubt gleichzeitig die Integration von Widerständen nach einem artgleichen chemischen Verfahren.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik und der Tatsache, daß Mehrebenenschaltungen in der Elektronikindustrie besonders gefragt sind, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mehrebenenschaltung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, welche es gestatten, zu hoher Packungsdichte zu gelangen, wcbei Erschütterungsunempfindlichkeit gewährleistet sein soll. Solche Anforde rungen werden beispielsweise bei Großrechneranlagen oder in der Weltraumelektronik in besonderem Naße gefordert.
  • Diese aufgabe wird gelöst durch die M.ehrebenenschaltung mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch @ beziehungsweise durch das Verfahren mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den zugeordneten Unteransprüchen angegeben.
  • Als Ebene oder Substrat wird vorzugsweise eine o; bis o,7 mm dicke Keramikscheibe verwendet, die nach dem CIS-Verfahren (siehe oben) beidseitig stromlos - chemisch metallisiert wurde, wie beispielsweise beschrieben in den DE - PS 20 04 133, 24 53 192, 2453 227, 25 33 524, 22 14 773 und in den DE - OS 26 34 232 und 28 03 782.
  • Die Herstellung der Struktur aus einer Leiterschicht, bevorzugt einer Feinstleiterstruktur, kann beispielsweise nach einer Additiv - Methode oder auch nach durchgehender Flächenmetallisierung durch nachfolgende ätztechnische Strukturierung erfolgen. Auf diese Weise sind bekanntermaßen Leiterbahnen von wenigen bis 20 P Dicke und sehr geringer Breite (30 bis 50/Im) herstellbar. Elektrische Widerstände. lassen sich nach der gleichen Methode, zum Beispiel durch Abscheidung von NiP - Schichten haftfest erzeugen und in die Leiterebene integrieren. Festkörperschaltkreise und einzelne aktive oder passive Bauelemente werden am Schluß diskret, zum Beispiel unter Verwendung eines SnPb - Lotes, in die Schaltung eingesetzt. Durchkontaktierungen oder Substratdurchbrüche lassen sich vor dem Brennprozeß der Keramik durch Einstechen oder Stanzen oder nach dem Brennen durch Bohren oder schneiden erzeugen, wobei anschließend auch hier eine chemische Netallisierung der Wandungen, zum Beipiel mit Kupfer, erfolgt.
  • Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Nehrebenenschaltung werden zwei oder mehrere solcher Ebenen (bohne diskrete Bauelemente) übereinander Justiert und durch Aufbringen einer wässrigen oder alkoholischen Suspension einer niedrigschmelzenden Glasfritte (Glaslot) in dünnster Schicht voneinander getrennt, also in einem Abstand voneinander gehalten. Diese Fritte kann pastenförmig sein und beispielswiese mittels Siebdruck aufgebracht werden, so daß Durchkontaktierungen (Bohrungen und Lötaugen) frei bleiben.
  • Zur stabilen und feuchteunempfindlichen Verbindung Temperatur der Ebenen wird anschließend bei erhöhter/gesintert, beispielsweise bei Verwendung einer SiO2 - armen Bleiboratfritte bei etwa 400 Grad Celsius unter Druckanwendung.
  • Auf diese Weise läßt sich eine Mehrebenenschaltung mit hoher Packungsdichte erzeugen, die schockunempfindlich und feuchteresistent und damit über lange Zeiträume funktionsstabil ist. Für weniger anspruchsvolle Ausführungen können bekanntermaßen auch Kleber oder aushärtbare Kunstharze, zum Beispiel auf Epoxidharzbasis verwendet werden. Zu beachten ist ähnlich wie bei Fritten (Glasloten) eine weitgehende Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialen aneinander, beispielsweise durch geeignete Zuschläge wle Kieselgel.
  • Eine andere Verfahrensvariante geht von einer beidseitig anodisch-oxidierten AluminiumscFeibe aus, auf die ebenfalls stromles-chemisch Leiterbahnen aufgebracht wurden. Zur Durchkontakierung werden die feinstherstellbar n Bohrungen innen ebenfalls oxidiert und danach metallisiert. Wenn bei dieser Variante ein Masseschluß, also eine elektrische Verbindung mit der Aluminiumscheibe selbst erwünscht ist, kann die Oxidation In der Bchrung entfallen und eine dIrekte Verbindung mit dem Aluminiumsubstrat hergestellt werden. Die stabile mechanische Verbindung mit dem nächsten Substrat (Ebene) der Mehrebenenschaltung kann analog dem vorhergehenden Beispiel mittels einer niedrigschmelzenden Glasf@@t@e erfolgen oder durch ein Gießharz oder einen geeigneten Klebstoff.
  • Sollen mehrere Ebenen an verschiedenen Stellen elektrisch leitend miteinander verbunden werden, kann dies durch Letkugeln, zum Beispiel aus CdAg - Lot (95/5) mit einem Arbeitspunkt von 340 bis 395 Grad Celsius geschehen. Diese Kugeln sollen etwas größer als die metallisierten Kontaktlöcher oder Durchkontaktierungen sein und einen Durchmesser on der Dicke der Glaafrittenschicht, also der Zwischenschicht zwischen den Ebenen aufweisen. Sie werden auf die Löcher aufgesetzt und beispielsweise zunächst durch einen Adhäsionskleber befestigt. Danach wird die Zwischenschicht, zum Beispiel Fritte, aufgebracht und die nächste Ebene (Substrat) aufgedrückt. Beim nachfolgenden Sintern bei 00 Grad Celsius zersetzt sich der Kleber, und die Kugel verbindet sich fest mit den Metallringen (Lötaugen oder Durchkontaktierungen) der Leiterbahnen. Zugleich wird die Fritte gesintert und verbindet schockfest die Substrate und passiviert gleichzeitig die Oberflächen der Substrate und der Struktur auf der Leiter- beziehungsweise Widerstandsschicht gegen äußere Einflüsse. Anstelle der Kugeln lassen sich auch andere geometrische Gebilde wie kegelförmig verjüngte Stifte, die in die Durchkontaktierungen ragen, verwenden.
  • Auch Lotpasten, die im Siebdruckverfahren auf den staugen und in Durchkontaktierungen auf- gebracht werden, können in vorteilhafter Weise herangezogen werden, wenn die Fritten-oder Glaslotpaste ebenfalls siebgedruckt wird. In diesem Falle ergänzen sich die Siebmasken, was sich hinsichtlich Präzision und Verfahrensvereinfachung günstig auswirkt.
  • Bei der Wahl des Lots ist die Art der Verbindungsschicht wischen den einzelnen Ebenen zu berücksichtigen, so daß beispielsweise die Sinterung des Glaslots und das Aufschmelzen des Metallots in einem Arbel tsgsng erfolgen können.
  • Im Falle einer Zwischenschicht aus Klebstoff oder Gießharz wird zweckmäßigerweise ein niedrigschmelzendes Lot wie SnB1 mit einem Arbeitspunkt von rund 150 Grad Celsius eingesetzt.
  • Eine weitere Alternative zur Realisierung von Durchkontaktierungen innerhalb des Mehrebenensc~altunbsblocks besteht in der Anwendung von Leitklebern, zum Beispiel von Al- oder Ag- gefülltem Epoxidharz - Kleber, der mit Feindosierspritzen und unter Druck selektiv in die Bohrungen eingebracht werden kann.
  • Sollen mehrere Ebenen miteinander in der Weise leitend verbunden werden, daß die Durchkontaktierungen zentrisch übereinander liegen, können auch feinste Hülsen oder Drähte als Stifte zur Anwendung kommen oder die durchgehenden Bohrungen der Durchkontaktierungen in bekannter Weise stromlos - chemich oder galvanisch mit Kupfer verstärkt werden, so daß die aufeinanderliegenden Lötaugen zusammenwachsen. Auf diese Weise ist auch eine elektrisch leitende und mechanisch verbindende Leiterbrücke zwischen verschiedenen Ebenen herstellbar.
  • Der haupt sächliche Vorteil der erfindunsgemäßen Mehrebenenschaltung wird darin gesehen, daß es damit möglich ist, bisherige Mehrebenenschaltungen von beispielsweise 12 bis 24 Lagen auf die Häalfte bis ein Drittel der Lagen zu reduzieren und damit die Ausfallquote zu erniedringen beziehungsweise die Fertigungsausbeute wesentlich zu steigern. Dies wird unter anderem auch dadurch bewirkt, daß in Gegensatz zu anderen Techniken,wie zum Beispiel der Dickfilmtechnik,von doppelseitig mit Strukturen aus versehenen Substraten Leiter- beziehungsweise Widerstandsschichten / ausgegangen werden kann. Durch Verwendung von Glasfritten als dielektrische Zwischenschlcht kann auch eine weitereVerkapselung der Mehrebenenschaltung entfallen. Das beschriebene Verfahren führt somit zu einer wesentlichen Verbilligung solcher Mehrebenenschaltungen.

Claims (21)

  1. Patentansprüche init Mehrebenenschaitung mit wenigstens zwei mechanisch L miteinander erbimdenen, übereinander gestapelten F.benen, bestehend jeweils aus einem Substrat mit nichtleitend Oberfläche, auf der sich eine Struktur aus einer Leiter- und/oder Widerstandsschicht befindet, wobei wenigstens zwei Strukturen verschiedener Substrate elektrisch miteinander verbunden sind durch Um - und/oder Durchkontaktierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen mit einem Abstand voneinander miteinander in nicht zerstörungsfrei lösbarer Weise verbunden sind und zwar - durch eine den Abstand ausfüllende elektrisch isolierende, mechanisch verbindende Zwischenschicht - und/oder durch wenigstens eine, an wenigstens zwei übereinander liegenden Um - beziehungsweise Durch kontaktierungen vorgesehene, elektrisch leitende und mechanisch verbindende Leiterbrücke.
  2. 2. Mehrebenenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einer erstarrten Fritte, insbesondere einer Glasfritte oder einem Glaslot besteht.
  3. 3. Mehrebenenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem Klebstoff oder aus einem ausgehärteten Kunststoff, insbesondere Kunstharz, besteht.
  4. 4. Mehrebenenschaltung nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Ebene aus nach dem CMS-Verfahren (Chemisches Metallisierungs-System) metallisierten Substrat aus A1203- Keramik besteht.
  5. 5. Mehrebenenschaltung nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Ebene aus einer anodisch oxidierten Aluminiumscheibe besteht, und deren Oxidschicht nach dem CMS-Verfahren (Chemisches Metallisierungs-System) naßchemlsch stromlos metallisiert ist.
  6. 6. Mehrebenenschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Ebene beidseitig eine Struktur aus einer Leiter - und/oder Widerstandsschicht aufweist.
  7. 7. Mehrebenenschaltung nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbricke aus einer Hülse oder einem Stift besteht, die elektrisch leitfähig sind.
  8. 8. Mehrebenenschaltung nach einem der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbrücke aus einer erstarrten Metallschmelze besteht.
  9. 9. Mehrebenenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbrücke aus chemisch oder galvanisch aufgebrachtem Metall besteht.
  10. 10. Verfahren zur Herstellung einer Uehrebenenschaltung, bei dem Substrate mit nichtleitender Oberfläche jeweils mit einer Struktur aus einer Leiter - und/oder Widerstandsschicht und mit wenigstens einer Um - und/oder Durchkontsktierung versehen werden und zwei Strukturen auf versXhiedenen Substraten über wenigstens eine Um -oder Durchkontaktierung elektrisch miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei übereinander zu stapelnden Ebenen - eine elektrisch isolierende Zwischenschicht - undZoder wenigstens eine zwischen zwei im Stapel übereinander liegenden m - beziehungsweise Durchkontaktierungen angeordnete, elektrisch leitende teiterbrücke vorgesehen wird, :obeI anschliessend die Zwischenschicht beziehungsweise die Leiterbrücke als auch mechanische und nicht zerstörungsfrei lösbare Verbindung der Ebenen ausgebildet wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aufgedruckt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen mit einem Abstand voneinander aufgestapelt werden, der durch die Zwischenschicht gehalten wird.
  13. 13. Verfähren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen beidseitig eine Struktur aus einer Leiter-und/oder Widerstandsschicht aufweisen.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenschicht eine Suspension oder Paste einer Fritte, insbesondere Glasfritte oder Glaslot, auf eine Ebene aufgebracht und nach Abdecken mit einer weiteren Ebene anshließend aufgeschmolzen oder gesintert wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenschicht ein Klebstoff oder ein aushärtbarer Kunststoff, insbesondere Kunstharz, auf eine Ebene aufgebracht und nach Abdecken mit einer weiteren Ebene anschließend zum Kleben beziehungsweise Aushärten gebracht wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abdecken mit einer weiteren Ebene Druck auf diese ausgeübt wird.
  17. 17. Verfahren nach einem der Anspruche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht zerstörungsfreie,lösbare Verbindung gleichzeitig zwischen mehr als zwei miteinander zu verbindenden Ebenen hergestellt wird.
  18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen unmittelbar übereinander- liegenden Durchkontaktierungen verschiedener Ebenen ein Stück Metallot oder Lotpaste angeordnet und nach Zusammenfügen der Ebenen geschmolzen und wieder zur Erstarrung gebracht wird.
  19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen unmittelbar übereinanderliegenden DurchRontaktierungen verschiedener Ebenen ein Leitkleber angeordnet und nach dem ZUsammenfügen der Ebenen zum Rleben gebracht wird.
  20. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Ebenen mit direkt übereinanderliegenden Durchkontaktierungen in diese eine Hülse oder ein Stift eingebracht wird, die elektrisch leitfähig sind.
  21. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß,Durch - und/oder Umkontaktierungen verschiedener Ebenen durch eine abschließende stromlos chemische oder galvanische Metallabschei.1ung miteinander leitend verbunden werden.
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