DE3929789A1 - Integrierte hybridschaltung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Integrierte hybridschaltung und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine integrierte Hybridschaltung,
bei der direkt auf der Hauptoberfläche eines keramischen
Substrats eine Kupferplatte ausgebildet ist, sowie ein
Verfahren zur Herstellung derselben.
Da elektronische Vorrichtungen immer mehr verkleinert und
leichter gemacht werden, wurden bereits integrierte Hybrid
schaltungen mit einem keramischen Substrat aus beispiels
weise Aluminiumoxid und einer auf einem keramischen Substrat
mittels Siebdruck und Brennen gebildeten dicken Verdrahtungs
schicht entwickelt. Mit zunehmender Packungsdichte der
Schaltung wurden auch bereits integrierte Hybridschaltungen
mit einer Isolierschicht auf einem keramischen Substrat
entwickelt.
Die Fig. 2 zeigt eine übliche integrierte Hybridschaltung
mit einer dicken Kupferschicht 2 auf einem keramischen
Substrat 1 aus beispielsweise Aluminiumoxid. Auf der dicken
Kupferschicht 2 befindet sich eine Isolierschicht 3 und
auf dieser eine Verdrahtungsschicht 4. Diese integrierte
Hybridschaltung wird wie folgt hergestellt: Zunächst wird
auf ein keramisches Substrat 1 durch Siebdruck eine leitende
Kupferpaste aufgedruckt und in Stickstoffatmosphäre ge
brannt, wobei eine dicke Kupferschicht 2 entsteht. Danach
wird auf die Kupferschicht 2 eine isolierende Paste aufge
druckt und in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt, wobei
eine Isolierschicht 3 entsteht. Zuletzt wird auf die
Isolierschicht 3 eine leitende Kupferpaste aufgedruckt und
in Stickstoffatmosphäre gebrannt, wobei eine Verdrahtungs
schicht 4 gebildet wird.
Die zur Ausbildung der dicken Kupferschicht 2 verwendete
Paste enthält in der Regel Kupferpulver, einen organi
schen Träger, ein Lösungsmittel u.dgl., wobei sämtliche
Bestandteile miteinander vermischt sind. Wenn diese Paste
auf ein keramisches Substrat 1 aufgedruckt und gebrannt
wird, entsteht im Inneren der dicken Kupferschicht 2 ein
Spaltgas 5, das zur Porenbildung an der Verbindungsstelle
zwischen Kupferschicht 2 und Isolierschicht 3 und/oder
in der Isolierschicht 3 führt. Folglich sind die Aus
haltespannung der Schicht 3 niedrig, die Haftfestigkeit
gering und Kurzschlüsse vorprogrammiert. Somit vermag
die Isolierschicht 3 ihre Funktion nicht in ausreichendem
Maße zu erfüllen.
"Hybrid Technology of New Generation" Electronic Material
(Mai 1984), Seiten 51-60, Verlag Kogyo Chosa Kai Publishing
Co., Ltd., beschreibt ein Verfahren zum direkten Befestigen
einer Kupferschaltungsplatte an einem keramischen Substrat
mittels der DBC-Technik, d.h. durch Direktkupferbefestigung,
sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Transistor
modul.
Aus der JP-OS 52-37 914 ist ein Verfahren zur direkten Be
festigung eines Metalls an Keramiken oder einem anderen
Metall bekannt.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine integrierte
Hybridschaltung hoher Aushaltespannung und verbesserter
Haftfestigkeit zu schaffen, bei deren Herstellung eine
Porenbildung verhindert wird. Ferner sollte erfindungsgemäß
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen integrierten
Hybridschaltung geschaffen werden.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine integrierte Hybrid
schaltung, die durch
ein keramisches Substrat,
eine durch Befestigen eines Kupfermaterials an dem
keramischen Substrat gebildete Kupferplatte bzw. -schicht einer Dicke
von 1-100 µm,
eine auf der Kupferplatte durch Siebdruck erzeugte Isolier
schicht einer Dicke von 10-100 µm und
eine auf der Isolierschicht durch Siebdruck erzeugte
Verdrahtungsschicht einer Dicke von 5-80 µm,
gekennzeichnet ist.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Her
stellung einer integrierten Hybridschaltung, das durch
folgende Stufen:
Erwärmen eines Kupfermaterials auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt von Kupfer in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre zur Bildung einer an einem keramischen Substrat befestigten Kupferplatte einer Dicke von 1-100 µm; Aufdrucken einer Isolierpaste auf mindestens einen Teil der Kupferschicht durch Siebdruck und Brennen derselben in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre zur Ausbildung einer Isolierschicht einer Dicke von 10-100 µm und Aufdrucken einer leitenden Paste auf die Isolierschicht mittels Siebdruck und anschließendes Brennen derselben in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre zur Ausbildung einer Verdrahtungsschicht einer Stärke von 5-80 µm,
gekennzeichnet ist.
Erwärmen eines Kupfermaterials auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt von Kupfer in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre zur Bildung einer an einem keramischen Substrat befestigten Kupferplatte einer Dicke von 1-100 µm; Aufdrucken einer Isolierpaste auf mindestens einen Teil der Kupferschicht durch Siebdruck und Brennen derselben in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre zur Ausbildung einer Isolierschicht einer Dicke von 10-100 µm und Aufdrucken einer leitenden Paste auf die Isolierschicht mittels Siebdruck und anschließendes Brennen derselben in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre zur Ausbildung einer Verdrahtungsschicht einer Stärke von 5-80 µm,
gekennzeichnet ist.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch den wesentlichen Teil
einer erfindungsgemäßen integrierten Hybrid
schaltung und
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine übliche integrierte
Hybridschaltung.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine Aus
führungsform der erfindungsgemäßen integrierten Hybrid
schaltung näher erläutert.
Die integrierte Hybridschaltung besteht aus einem kerami
schen Substrat 11 und einer Kupferplatte 12, einer Isolier
schicht 13 und einer Verdrahtungsschicht 14, die - in der
angegebenen Reihenfolge - auf das Substrat 11 aufgetragen
sind.
Bei der beschriebenen Ausführungsform besteht das kerami
sche Substrat 11 aus Aluminiumoxid. Anstelle des aufgrund
seiner Eigenschaften bevorzugten Aluminiumoxids können
auch Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Magnesiumoxid, Bor
nitrid u.dgl. verwendet werden.
Die Kupferplatte 12 besitzt eine Dicke von etwa 20 µm.
Zweckmäßigerweise sollte die Platte 12 diese Dicke auf
weisen, obwohl Dickewerte von 1-100 µm zulässig sind.
Die Dicke wird aus folgenden Gründen auf einen Wert inner
halb des angegebenen Bereichs begrenzt: Eine dünnere
Kupferplatte als 1µm läßt sich nur schwierig auf dem Substrat
befestigen. Eine dickere Kupferplatte als 100 µm besitzt
in der Regel eine rauhe Oberfläche. Die Kupferplatte 12
kann auf der gesamten Oberfläche des Substrats 11 oder
mustergerecht aufgetragen werden.
Die Isolierschicht 13 besitzt eine Dicke von 40 µm, eine
Dicke von 10-100 µm ist jedoch zulässig. Die Isolier
schicht 13 wird wie folgt hergestellt: Eine ZnO-Glas
pulver enthaltende Isolierpaste wird durch Siebdruck auf
die Kupferplatte 12 aufgedruckt und in einer Stickstoff
atmosphäre bei einer Temperatur von 600°C gebrannt. Die
Isolierschicht 13 besteht aus einer ZnO-Glaspulver ent
haltenden Isolierpaste. Als Alternativwerkstoffe für diese
Paste eignen sich beispielsweise SiO2 oder Kalziumtitanat
enthaltende Pasten.
Die Verdrahtungsschicht 14 besitzt eine Stärke von 20 µm,
Dickewerte von 5-80 µm sind jedoch zulässig. Die Ver
drahtungsschicht 14 wird wie folgt hergestellt: Auf die
Isolierschicht 13 wird durch Siebdruck eine leitende
Kupferpaste aufgedruckt und in nicht-oxidierender Atmosphäre,
beispielsweise unter gasförmigem Stickstoff, gasförmigem
Argon u.dgl., bei einer Temperatur von 600°C gebrannt.
Die Verdrahtungsschicht 14 besteht aus Kupfer, sie ist
jedoch nicht auf Kupfer beschränkt.
Da bei der beschriebenen Ausführungsform die integrierte
Hybridschaltung ein aus Aluminiumoxid bestehendes kerami
sches Substrat 11, eine durch Befestigen eines Kupfer
materials an dem keramischen Substrat 11 gebildete Kupfer
platte 12, eine auf der Kupferplatte 12 durch Aufdrucken
gebildete Isolierschicht 13 und eine durch Aufdrucken auf
die Isolierschicht 13 gebildete Verdrahtungsschicht 14 auf
weist, hat sich eine Porenbildung an der Verbindungsstelle
zwischen Kupferplatte 12 und Isolierschicht 13 und/oder in
der Isolierschicht 13 verhindern lassen. Demzufolge besitzt
die Isolierschicht 13 eine hohe Aushaltespannung. Gleich
zeitig ist die Haftfestigkeit der Kupferplatte 12 verbessert.
Schließlich lassen sich auch Kurzschlüsse verhindern.
Im folgenden wird beispielsweise ein Verfahren zur Her
stellung der beschriebenen integrierten Hybridschaltung
näher erläutert.
Zunächst wird ein Kupfermaterial auf ein keramisches
Substrat 11 gelegt und in einer Stickstoffatmosphäre auf
eine Temperatur von 1065°C erwärmt. Hierbei entsteht auf
dem keramischen Substrat 11 eine Kupferplatte 12 einer
Dicke von etwa 20 µm. Andererseits kann die Kupferplatte 12
auch durch Beschichten des keramischen Substrats mit im
Vakuum verdampftem Kupfer, d.h. durch Vakuumbedampfung,
hergestellt werden.
Danach wird eine ZnO-Glaspulver enthaltende isolierende
Paste durch Siebdruck auf die Kupferplatte 12 aufgedruckt
und dann in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur
von etwa 600°C gebrannt. Hierbei entsteht auf der Kupfer
platte 12 eine Isolierschicht 13 einer Dicke von 40 µm.
Schließlich wird auf die Isolierschicht 13 durch Sieb
druck eine leitende Kupferpaste aufgedruckt und dann bei
einer Temperatur von etwa 600°C in einer Stickstoffatmosphäre
gebrannt. Hierbei entsteht auf der Isolierschicht 13 eine
Verdrahtungsschicht 14 einer Dicke von 20 µm.
Wie beschrieben, werden auf dem keramischen Substrat 11
nacheinander eine Kupferplatte 12, eine Isolierschicht 13
und eine Verdrahtungsschicht 14 hergestellt, wobei eine
integrierte Hybridschaltung entsteht.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird ein auf ein
keramisches Substrat 11 gelegtes Kupfermaterial in einer
Stickstoffatmosphäre auf eine Temperatur von etwa 1065°C
erwärmt, wobei eine Kupferplatte 12 einer Dicke von etwa
20 µm entsteht. Danach wird auf der Kupferplatte 12 aus
einer ZnO-Glaspulver enthaltenden Isolierpaste eine Iso
lierschicht 13 einer Dicke von 40 µm gebildet. Folglich
entstehen keine Poren an der Verbindungsstelle zwischen
Kupferplatte 12 und Isolierschicht 13 und/oder in der
Isolierschicht 13. Dies führt zu einer Erhöhung der Aus
haltespannung der Isolierschicht 13, zu einer Verbesse
rung der Haftfestigkeit der Kupferplatte 12 am Substrat 11
und zur Vermeidung von Kurzschlüssen.
Claims (6)
1. Integrierte Hybridschaltung, gekennzeichnet durch
ein keramisches Substrat (11) ;
eine durch Befestigen eines Kupfermaterials an dem keramischen Substrat (11) gebildete Kupferplatte (12) einer Dicke von 1-100 µm;
eine auf der Kupferplatte (12) durch Siebdruck erzeugte Isolierschicht (13) einer Dicke von 10-100 µm und
eine auf der Isolierschicht (13) durch Siebdruck er zeugte Verdrahtungsschicht (14) einer Dicke von 5-80 µm.
ein keramisches Substrat (11) ;
eine durch Befestigen eines Kupfermaterials an dem keramischen Substrat (11) gebildete Kupferplatte (12) einer Dicke von 1-100 µm;
eine auf der Kupferplatte (12) durch Siebdruck erzeugte Isolierschicht (13) einer Dicke von 10-100 µm und
eine auf der Isolierschicht (13) durch Siebdruck er zeugte Verdrahtungsschicht (14) einer Dicke von 5-80 µm.
2. Integrierte Hybridschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das keramische Substrat (11) aus
Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid,
Magnesiumoxid oder Bornitrid besteht.
3. Integrierte Hybridschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (14) aus einer
ZnO-Glaspulver enthaltenden Isolierpaste hergestellt
ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Hybrid
schaltung, gekennzeichnet durch folgende Stufen:
Befestigen einer Kupferplatte (12) einer Dicke von 1-100 µm an einem keramischen Substrat (11) durch Erwärmen der Kupferplatte (12) auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt von Kupfer in nicht-oxidierender Atmosphäre;
Aufdrucken einer Isolierpaste auf mindestens einen Teil der Kupferplatte (12) durch Siebdruck und Brennen der selben in nicht-oxidierender Atmosphäre zur Ausbildung einer Isolierschicht (13) einer Dicke von 10-100 µm und
Aufdrucken einer leitenden Paste auf die Isolierschicht (13) durch Siebdruck und Brennen derselben in nicht oxidierender Atmosphäre unter Ausbildung einer Verdrah tungsschicht (14) einer Dicke von 5-80 µm.
Befestigen einer Kupferplatte (12) einer Dicke von 1-100 µm an einem keramischen Substrat (11) durch Erwärmen der Kupferplatte (12) auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt von Kupfer in nicht-oxidierender Atmosphäre;
Aufdrucken einer Isolierpaste auf mindestens einen Teil der Kupferplatte (12) durch Siebdruck und Brennen der selben in nicht-oxidierender Atmosphäre zur Ausbildung einer Isolierschicht (13) einer Dicke von 10-100 µm und
Aufdrucken einer leitenden Paste auf die Isolierschicht (13) durch Siebdruck und Brennen derselben in nicht oxidierender Atmosphäre unter Ausbildung einer Verdrah tungsschicht (14) einer Dicke von 5-80 µm.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
man ein keramisches Substrat (11) aus Aluminiumoxid,
Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Magnesiumoxid oder
Bornitrid verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
man die Isolierschicht aus einer ZnO-Glaspulver ent
haltenden isolierenden Paste herstellt.
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