DE4243040A1 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrschichtige,
gemeinsam gebrannte Keramik-auf-Metall-Schaltungsplatte
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, mehrschichtige, gemeinsam gebrannte Keramik-
Schaltungsplatten aus einem Stapel von Schichten aus im
Handel erhältlichem keramischem dielektrischen Bandmaterial
herzustellen, wie es unter dem Handelsnamen GREEN TAPE von
der Firma E.I. Du Pont Company, Wilmington, Delaware, USA
erhältlich ist. Die Schichten aus dem keramischen Band
material haben jeweils eine Dicke von etwa 0,13 mm. Die
Oberfläche jeder Schicht kann mit metallischen Leitern
bedruckt sein, die miteinander durch kleine Löcher (im
englischen Sprachgebrauch "vias") in einer oder mehreren
dieser Schichten elektrisch verbunden werden können. Die
Löcher werden mit einem leitfähigen Material ausgefüllt.
Eine solche durch einen gemeinsamen Brennvorgang herge
stellte keramische Schaltungsplatte ist beispielsweise in
der US-PS 50 41 695 (J. A. Olenick) beschrieben.
Es stehen zwei Typen von miteinander, gemeinsam gebrannten
keramischen Schaltungsplatten zur Verfügung, nämlich:
- 1) bei hoher Temperatur (typischerweise unter 1300°C) gebrannte und
- 2) bei niedriger Temperatur (typischerweise unter 1000°C) gebrannte.
Die Hochtemperatur-Cobrenn-Technologie wird für Aluminium
oxid- und Aluminiumnitrid-Keramik verwendet, während die
Niedertemperatur-Cobrenn-Technologie für Glaskeramik (mit
keramischem Füllstoff beschwerte Gläser im Glaszustand oder
entglasten Zustand) verwendet wird. Die Leitermetallurgie
für bei hoher Temperatur gleichzeitig gebrannte Schaltungs
platten arbeitet mit W oder Mo-Mn, während bei Schaltungs
platten, die als Ganzes bei niedriger Temperatur gebrannt
werden, Leiter aus Ag, Au, AgPd oder Cu verwendet werden.
Ein Problem, das bei der Herstellung von mehrschichtigen,
als Ganzes gebrannten keramischen Schaltungsplatten auftritt,
ist der Volumenschwund beim Brennen. Dieser Schwund, der
sowohl in den Flächenrichtungen x und y als auch in der
Dickenrichtung z der jeweiligen Schichten auftritt, hat
seine Ursache darin, daß während des Brennens Luft ent
weicht, welche zwischen den Teilchen sowie im organischen
Binder des grünen Bandmaterials eingeschlossen ist. Der
Schwund ist verhältnismäßig groß, typischerweise 10 bis 15%
für bei niedriger Temperatur als Ganzes gebrannte Mehr
schicht-Schaltungsplatten. Man kann zwar versuchen, den
Schwund in den Flächenrichtungen x und y durch Über
dimensionierung der Fläche der Schichten aus dem grünen
Bandmaterial zu kompensieren, es ist jedoch recht schwierig,
den Schwund konsistent zu kontrollieren. Um beispielsweise
die Schwankungen der x- und y-Abmessungen einer gebrannten
mehrschichtigen Schaltungsplatte innerhalb eines Toleranz
bereiches von 0,1% zu halten, ist ein Grad von Kontrolle
erforderlich, der bis zu ein oder zwei Teile pro hundert im
Ausmaß des Schwundes betragen kann. Aus diesem Grund ist der
Ausschuß bei als Ganzes gebrannten Schaltungsplatten hoch.
Die bei niedriger Temperatur als Ganzes gebrannten mehr
schichtigen Schaltungsplatten haben außerdem wegen der
Glaskeramik eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und eine
niedrige Biegefestigkeit.
Es sind auch Einfachschichten aus Keramik bekannt, die auf
ein Metallsubstrat aufgebrannt sind, wie Porzellanemail auf
Stahl. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient des das Substrat
bildenden Stahls relativ groß ist, muß auch das Material der
auf das Stahlsubstrat aufgeschmolzenen Keramikschicht einen
relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, um dem
des Substrats möglichst nahe zu kommen. Man hat Glas
keramiken mit hohem Bariumgehalt und hohem Ausdehnungs
koeffizienten entwickelt, die für die Herstellung solcher
Porzellanemail-auf-Stahl-Platten verwendet werden können. Es
sind auch andere Keramiksysteme bekannt, die einen relativ
großen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der hohe
Wärmeausdehnungskoeffizient dieser Systeme wird typischer
weise durch den Zusatz von Oxiden von Schwermetallen, wie
Blei, Barium oder Alkalien, z. B. Natrium und Kalium,
erreicht. Dies hat jedoch höhere Dielektrizitätskonstanten
und höhere dielektrische Verluste zur Folge und kann zu
einer schlechteren chemischen Beständigkeit führen, was
solche Systeme hoher Wärmedehnung zu schlechten Kandidaten
für die Verwendung zur Herstellung von mehrschichtigen, als
ganzes gebrannten Keramik-Schaltungsplatten macht, die in
mikroelektronischen Baugruppen oder Moduleinheiten und zur
Halterung und zum Anschluß von IC-Chips verwendet werden
können.
Durch die vorliegende Erfindung soll, allgemein gesprochen,
eine mehrschichtige, als Ganzes gebrannte Keramik auf einer
Metallbasis, insbesondere ein System von für ein Brennen als
Ganzes geeigneten Niedertemperatur-Glaskeramiken mit hohem
Ausdehnungskoeffizienten geschaffen werden, welches bei
Feinabstimmung mit gewissen Füllmaterialien Dielektrizitäts
konstanten und dielektrische Verluste aufweist, die genügend
niedrig sind, um sie für die Herstellung von mehrschichtigen,
als Ganzes gebrannten, Keramik-auf-Metall-Schaltungsplatten
für mikroelektronische Baugruppen geeignet zu machen. Durch
die Erfindung soll ferner ein Verfahren zum Herstellen
solcher Schaltungsplatten angegeben werden, bei der eine
sichere Verbindung der Keramik mit der Metallbasis
(Metallsubstrat) gewährleistet ist.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
mikroelektronischen Baugruppe, die gemäß der
Erfindung hergestellt wurde, und
Fig. 2 ein Flußdiagramm der Verfahrensschritte einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
Zur Herstellung der in Fig. 1 im Schnitt und stark vergrößert
dargestellten Struktur stellt man als erstes eine Metall
basis oder ein Metallsubstrat 12 mit zwei einander
entgegengesetzten Hauptflächen 14 und 16 her, beispielsweise
durch Stanzen eines nicht dargestellten Metallkernes und
anschließendes Anlassen des Kernes bei einer Temperatur von
etwa 500 bis 900°C um eine gute Dimensionsstabilität zu
gewährleisten. Die Oberflächen des Kerns werden gereinigt,
um Schmutz und Oxide zu entfernen. Vorzugsweise wird
mindestens eine der Hauptflächen 14 und 16 mit einem
geeigneten Material, wie Kupfer, mit einer Dicke von etwa
0,5 bis 25 µm galvanisiert. Geeignete Materialien für das
Substrat 12 sind u. a. Cu, Al, Ni, nichtrostender Stahl,
kohlenstoffarmer Stahl, Cu/Invarstahl/Cu, Cu/Mo/Cu oder
Cu/nichtrostender Stahl/Cu, wobei letzteres bevorzugt wird.
Eine Bindeschicht 18 aus Glas, insbesondere eines Glases mit
einem Wärmeexpansionskoeffizienten, der kleiner ist als der
des Substrats 12, wird als Suspension auf eine der Haupt
flächen, z. B. die Fläche 14 des Substrats 12 aufgebracht.
Die Suspension kann durch Siebdruck, Sprühen, Schleuder
beschichtung, Streichen, Fluidbettbeschichtung, elektro
phoretisches Niederschlagen oder andere äquivalente Methoden
erfolgen. In der Praxis wurden bei der Herstellung von
Schaltungsplatten gemäß der Erfindung Siebdruck- und Sprüh
verfahren verwendet. Auf der Glas-Bindeschicht 18 wird eine
mehrschichtige Keramikstruktur 20 vorgesehen.
Die mehrschichtige Keramikstruktur 20 kann durch Aufbringen
von mehreren Schichten grünen Bandes auf die Glas-Binde
schicht hergestellt werden oder die laminierte Keramik
struktur kann biskuitgebrannt oder getrocknet werden, bevor
sie auf die Glas-Bindeschicht 18 aufgebracht wird. Für eine
Cu/nichtrostender Stahl/Cu-Basis wird die resultierende
Struktur in Stickstoff (etwa 10 000 ppm O2) mit einer
Spitzentemperatur von etwa 900 bis 930°C für etwa 2 bis 20
Minuten als Ganzes gebrannt, um die Keramik mit der Ober
fläche 14 der Basis oder des Substrats 12 zu verbinden. Die
Binde-Zwischenschicht 18 aus Glas hat zwei Funktionen: Sie
dient zur Anbringung der mehrschichtigen Keramik 20 an der
Basis 12 und sie hält den Schwund der Keramik 20 in der x-
und der y-Dimension während des Brennens minimal. Die
Bindeschicht 18 aus Glas muß außer, daß sie einen Expansions
koeffizienten, der kleiner als der der Metallbasis 12 ist,
hat, genügend mit der Kupferbeschichtung und den Kupferoxiden
auf der Oberfläche 14 der Basis 12 reagieren, um die
Verbindung zwischen der Keramik 20 und der Basis während des
gemeinsamen Brennvorganges zu fördern und aufrechtzuerhalten.
Das Glas der Bindeschicht 18 muß einen relativ niedrigen
Erweichungspunkt (kleiner als 600°C) haben, so daß es
fließen und sich mit der Oberfläche 14 der Metallbasis 12
verbinden kann, und es muß geeignete Oberflächenspannungs
eigenschaften bei Temperaturen unterhalb des Erweichungs
punktes des Glases in der Keramikschicht 20 aufweisen, um
den lateralen (x und y) Schwund der Keramik so klein wie
möglich zu halten. Außerdem muß das Glas der Bindeschicht 18
eine gute chemische Beständigkeit und gute dielektrische
Eigenschaften aufweisen.
Die Zusammensetzung der Glas-Bindeschicht 18 wird durch die
Zusammensetzung des Metallkernes und seiner thermischen
Eigenschaften sowie durch die Zusammensetzung des Keramik
laminats, die Sintereigenschaften und das bei der Her
stellung der zusammengebrannten Keramik-auf-Metall-
Schaltungsplatte verwendete Verfahren beeinflußt. Jede
Schicht der mehrschichtigen Keramikstruktur enthält eine
Glaskeramik/Füllstoff-Zusammensetzung mit einem Wärmeaus
dehnungskoeffizient, der mit dem der Basis und der Glas-
Bindeschicht im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis
etwa 600°C weitgehend übereinstimmt. Eine Anzahl von Gläsern
des Mehrstoffsystems PbO-ZnO-BaO-B2O3-SiO2 sind für die
Bindeschicht 18 geeignet. Diese Gläser können auch kleine
Mengen von ZrO2 und Al2O3 enthalten. Einige verallgemeinerte
Zusammensetzungen und ihre typischen Eigenschaften sind in
der folgenden Tabelle I aufgeführt.
Keramik-auf-Metall-Schaltungsplatten gemäß der Erfindung
wurden unter Verwendung von Gläsern der Pb-Zn-Borosilicat-
und Pb-Zn-Ba-Borosilicat-Glassysteme, die in Tabelle I
aufgeführt sind, hergestellt. Das bevorzugte Glas des
Pb-Zn-Ba-Borosilicat-Systems ist ein handelsübliches Glas
mit der Bezeichnung SCC-11, das von der Firma SEM-CON Co.
Toledeo, OH, USA erhältlich ist. Ein anderes geeignetes Glas
aus demselben System wird von der Firma Owens Illinois,
Toledo, OH, USA, unter der Bezeichnung CV-808 vertrieben.
Dieses letzterwähnte Glas enthält einen kleinen Anteil an
ZrO₂. Ein geeignetes Glas aus dem Pb-Zn-Borosilicat-System
ist das Glas des Typs CV-101 der Firma Owens Illinois.
Diese Bindegläser wurden mit Erfolg eingesetzt, um eine gute
Haftung der laminierten Keramik an einer Cu/nichtrostender/Stahl/Cu-Basis
12 zu gewährleisten. Außerdem wird der
x-y-Schwund der laminierten Keramikschicht 20 durch
Verwendung dieser Gläser um mehr als eine Größenordnung auf
etwa 0,8% verringert. Der x-y-Schwund des Keramiklaminats
beträgt ohne die Glas-Bindeschicht 18 typischerweise 12-15%.
Die Metallbasis 12 weist außerdem eine gute thermische
Leitfähigkeit und eine hohe Biegefestigkeit auf, so daß auch
die Probleme der schlechten Wärmeleitfähigkeit und niedrigen
Biegefestigkeit der bekannten Schaltungsplatten, die nur
eine mehrschichtige, bei niedriger Temperatur als Ganzes
gebrannte Glaskeramik enthalten, überwunden werden.
Für die Leitermetallurgie eignen sich Ag, Au, AuPt, AgPd, Ni
und Cu. Wenn Schaltungsplatten mit Edelmetalleitern als
Ganzes gebrannt werden, können Stickstoff oder irgendeine
andere inerte Atmosphäre erforderlich sein, um eine
Oxidation der Metallbasis zu verhindern. In dem laminierten
Band können geeignete Schlitze für integrierte-Schaltungs-
Chips vorgesehen sein, um diese direkt auf der Metallbasis
anzuordnen, wobei ein Kleber, ein Lot oder irgendein anderes
direktes Verbindungsverfahren verwendet werden kann, um eine
sehr wirksame Hitzeverteilung zu gewährleisten. Eine
Schaltung hoher Dichte kann auf der als Ganzes gebrannten
Keramik unter Verwendung der Photolithographie für die
Deckschichtleiter hergestellt werden. Es ist außerdem
möglich, zusätzliche Polymerschichten auf die als Ganzes
gebrannte Keramik, z. B. durch Schleuderbeschichtung,
aufzubringen und dann Dünnschicht-Galvanisierungs- oder
Schichtbildungstechniken zur Bildung von Schaltungen sehr
hoher Dichte zu verwenden.
Die hier beschriebene Technologie für die als Ganzes
gebrannten Schaltungsplatten auf Metallbasis ermöglicht es
außer der Herstellung von Schaltungsplatten hoher Dichte
mit ausgezeichneten Wärmeableitungs- bzw. Wärmeverteilungs-
und Schwundsteuereigenschaften auch eine mechanisch robuste
Basis zu erhalten. Ferner können IC-Schaltungsplättchen und
andere Komponenten direkt am Metall angebracht werden, indem
man Schlitze entweder im grünen Bandmaterial vorsieht, wie
es in Fig. 1 dargestellt und unten beschrieben ist oder auf
der der mehrschichten Keramik entgegengesetzten Seite der
Metallbasis. Die Komponenten können durch Löten, Draht
verbindung, TAB (Filmbonden) Flip-Chip- oder Klebstoff-
Befestigung angebracht werden. Die Kapselung kann hermetisch
(Glas-Metall-Verschmelzung) oder nichthermetisch mit
geeignetem Einhüllen oder Vergießen zum Komponentenschutz
erfolgen.
Es ist nicht beabsichtigt, die erfindungsgemäße, mit Brennen
als Ganzes arbeitende Mehrschicht-Keramik-auf-Metall-
Technologie der vorliegenden Erfindung auf irgendeine
spezielle Anwendung zu beschränken, sie eignet sich jedoch
besonders für mikroelektronische Packungen und Einheiten, da
die gebrannte mehrschichtige Keramik hierfür geeignete
elektrische Eigenschaften und andere günstige Eigenschaften
aufweist. Diesbezüglich wird auf die folgende Tabelle II
verwiesen, die ein Beispiel für eine Pflichtenliste der
elektrischen und anderen Eigenschaften enthält, bei einem
praktischen Fall einer mikroelektronischen Packung von der
gebrannten mehrschichtigen Keramik gefordert werden.
Eigenschaften | |
Gewünschter Wert | |
Wärmeexpansionskoeffizient (25-250°C)|90-130×10-7/°C | |
Dielektrizitätskonstante (1 MHz) | <6,6 |
Verlustfaktor (1 MHz) | <0,0035 |
Spannungsfestigkeit | <2 kV/mm |
Spezifischer (Volumen-)Widerstand | <10¹² Ohm cm |
Flächenwiderstand der vergrabenen Leiter | <10 mOhm/Quadrat |
Spezifischer Widerstand von Via-Leiter | <50 mOhm/Quadrat |
Spezifischer Widerstand der Oberflächenleiter | <50 mOhm/Quadrat |
Krümmung | <0,005″/Zoll |
Langzeit-Zuverlässigkeit (HHBT-Bedingungen) | (keine Kurzschlüsse) |
In der Tabelle II beziehen sich die HHBT-Bedingungen
bezüglich der Langzeit-Zuverlässigkeit auf einen beschleunig
ten Alterungstest, bei welchem eine Mikroelektronikpackungs
probe bei hoher Feuchtigkeit und hoher Temperatur eine
vorgegebenen Spannungsbeanspruchung für eine bestimmte Zeit
ohne elektrischen Durchbruch standhalten muß.
Die Verwendung der mit Brennen als Ganzes arbeitenden Mehr-
Schicht-Keramik-auf-Metall-Technologie der vorliegenden
Erfindung auf mikroelektronische Packungen und Einheiten
erforderte die Entwicklung von Glaskeramik- (GC) -Materialien,
die in Glaskeramik+Füllstoff (GC/F)-Zusammensetzungen
verwendet werden können, die den in Tabelle II aufgeführten
Anforderungen genügen.
In der Vergangenheit wurden Glas-, Glaskeramik- und Glas+Füll-
Stoff-Systeme entwickelt und mit Erfolg in mikroelek
tronischen Packungen für Anwendungen mit hoher Packungs
dichte verwendet. Der hauptsächliche Vorteil dieser
Materialien über die konventionellen Keramiken, wie
Aluminiumoxid, ist die niedrigere Brenntemperatur, die die
Verwendung von Materialien mit hoher elektrischer Leitfähig
keit, wie Ag, Cu, Au und Ag-Pd als verträgliche Metalli
sierungen ermöglicht. Während dieser Entwicklungen entstand
eine Vielzahl von Glas-Keramik- und Glas+Füllstoff-Systemen,
man hat jedoch in erster Linie auf die Anpassung der Wärme
dehnung an Silizium und in manchen Fällen an Ga-As Wert
gelegt. Die Wärmeexpansionskoeffizienten reichen typischer
weise von 30-70×107/°C. Die Fragen der Beherrschung der
Dielektrizitätskonstante, der dielektrischen Verluste, der
Festigkeit, der spezifischen Masse- und Oberflächen
widerstände, der elektrischen Durchbruchsfestigkeit, der
chemischen Beständigkeit, des Schwundes während des Brennens
und der Verträglichkeit mit der Metallisierung wurden in
einem großen Bereich von Borat-, Borosilicat- und Silicat-
Glas- sowie Glas-Keramik-Systemen, die Füllstoffe mit
niedriger oder mittlerer Wärmeexpansion enthielten, wie
Aluminiumoxid, Cordierit, Forsterit, Eucryptit usw. an
gesprochen. Keines dieser Glas-, Glas-Keramik- und Glas+Füll
stoff-Systeme erfüllt jedoch einigermaßen die Anforderungen
hinsichtlich der in der Tabelle II aufgeführten Werte.
Insbesondere ist der Expansionskoeffizient dieser bekannten
Systeme zu niedrig, um sie mit Erfolg bei der Herstellung
als Ganzes gebrannten hochdichten Mehrschicht-Keramik-auf-
Metall-Schaltungsplatten verwenden zu können.
Es ist eines der Ziele der vorliegenden Erfindung
- 1) ein Glas-Keramik-System und spezielle Glas-Keramik- Materialien innerhalb dieses Systems mit geeigneten thermischen, elektrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften anzugeben, die sie zu möglichen Kandidaten für die Verwendung zur Herstellung von als Ganzes ge brannten hochdichten Mehrschicht-Keramik-auf-Metall- Schaltungsplatten machen und
- 2) dann geeignete Füllstoffe in solche Prospektiven GC- Kandidaten zu inkorporieren, um die GC/F-Materialien so fein abzustimmen, daß ihre Eigenschaften den in Tabelle II geforderten Werten im wesentlichen genügen.
In der folgenden Tabelle III ist ein MgO-B2O3-SiO2-System
angegeben, welches CaO, ZnO und SnO2 als Zusätze enthält und
das für die Entwicklung von prospektiven Glas-Keramik-(GC)-
Kandidaten für die Verwendung bei der Herstellung einer als
Ganzes gebrannten hochdichten Mehrschicht-Keramik-auf-
Metall-Schaltungsplatte gewählt wurde. Den Gläsern wurden
keine Alkalioxide absichtlich zugesetzt, sie können jedoch
als Verunreinigungen in den Rohmaterialien vorhanden sein.
ZrO2 wurde in allen Materialien als Keimbildungsmittel zur
Steuerung der Kristallisation zugesetzt. Die Zusammensetzung
der verschiedenen Gläser, die hergestellt und untersucht
wurden, sind in der Tabelle III aufgeführt. Glas-Keramik
wurde durch Wärmebehandlung der Gläser bei 850-950°C für
10-30 Minuten erzeugt. Der Wärmeexpansionskoeffizient der
resultierenden Glas-Keramiken reichte von 85 bis 105×10-7/°C
über einen Temperaturbereich von Raumtemperatur (RmT) bis
etwa 600°C (wie die unten in Tabelle III aufgeführten
thermischen Expansionskoeffizienten der Glas-Keramiken GC-1
bis GC-7 im speziellen zeigen), was für ein weiteres Maß
schneidern durch Einbringung von Füllstoffen geeignet ist.
Die Empfindlichkeit gegen Feuchtigkeit wurde dadurch
bestimmt, daß die Glas-Keramiken Dampf von 1,05×105 Pa (15psi)
für zwölf Stunden ausgesetzt wurden. Keines der Materialien
zeigte eine sichtbare Verschlechterung durch die Feuchtigkeit.
Basierend auf den Zusammensetzungen der Glas-Keramiken GC-1
bis GC-14 wurden die folgenden Zusammensetzungsbereiche (in
Gewichts-%) als geeignet für expansionsangepaßte Glas-
Keramiken, die gemeinsam auf Cu/rostfreier Stahl/Cu-Metall
kerne oder -Substrate gebrannt werden, festgestellt:
SiO₂|10-20% | |
B₂O₃ | 20-35% |
MgO | 25-50% |
ZnO | 0-10% |
CaO | 0-22% |
SnO₂ | 0-18% |
BaO | 0-10% |
Es kann möglich und zweckmäßig sein, andere Oxide
einschließlich Alkali- und Schwermetalloxide in kleinen
Mengen mit kleinerem Einfluß auf die Dielektrizitätskonstante
und die dielektrischen Verluste hinzuzufügen. Anstelle von
ZrO2 können auch andere Keimbildungsmittel, wie TiO2 und
P2O5 verwendet werden. Beispielsweise können bis zu 5 Gew.-%
(einzeln oder in Kombination) dieser Keimbildungsmittel
eingesetzt werden. Um eine gewünschte Farbe zu erhalten,
können bis zu 3 Gew.-% (einzeln oder in Kombination) von
Cr2O3, CoO, Fe2O3, CuO, CeO2, und/oder Pr2O3 eingesetzt
werden. Die Glas-Keramik kann ferner als weitere Zusätze bis
zu 10 Gew.-% (einzeln oder in Kombination) Li2O, Na2O, K2O,
Al2O3, PbO, Bi2O3 und/oder SrO enthalten.
Drei Füllstoffe wurden als Kandidaten zur Feinabstimmung der
Eigenschaften der Glaskeramik ausgewählt, nämlich Flußspat
(CaF2), Quarz (SiO2) und Cristobalit (SiO2). Die thermischen
Expansionskoeffizienten von Flußspat, Quarz und Cristobalit
im Bereich von 20 bis 600°C sind 225, 237 bzw. 271×10-7/°C.
Es wurden verschiedene Glas-Keramik/Füllstoff-(GC/F)-Kom
binationen mit üblichen Bandgießverfahren verarbeitet. Einer
oder mehrere dieser Füllstoffe, bis zu 50 Vol.-%, wurden für
die Änderung der Expansion und der Dielektrizitätskonstante
der Basis-Glas-Keramik (GC) in Betracht gezogen. Durch
Änderung des Füllstoffanteils im Glas-Keramik/Füllstoff-
System kann der Expansionskoeffizient der Glas-Keramik/Füll
stoff-Systeme bis auf 130×10-7/°C erhöht werden.
Fünf neue Glas-Keramik/Füllstoffmaterialien GC/F-1 bis
GC/F-5 mit Eigenschaften, die sie für die Verwendung bei der
Herstellung als Ganzes zum Verbinden der Struktur und zum
Sintern der Keramik fertiggebrannten mehrschichtigen
Keramik-Schaltungsplatten geeignet machen, sind unten in
Tabelle IV aufgeführt. Es wurde gefunden, daß von diesen
fünf Glas-Keramik/Füllstoffmaterialien die Typen GC/F-4 und
GC/F-5 insgesamt die besten Eigenschaften für den
vorliegenden Zweck haben.
Zur weiteren Erhöhung des Wärmeexpansionskoeffizienten und
zur Verbesserung des Schwundverhaltens können insgesamt bis
zu 50 Gew.-% der Füllstoffe Quarz, Flußspat und Cristobalit
einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Ein Beispiel einer mikroelektronischen Packung oder Einheit
eines Mehrchip-Moduls ist in Fig. 1 dargestellt. Die als
Ganzes gebrannte Keramik-auf-Metall-Struktur 10 enthält die
Metallbasis 12, welche eine erste und eine zweite Hauptfläche
14 bzw. 16 aufweist, und die gemeinsam gebrannte
mehrschichtige Keramik 20, die mit der ersten Hauptfläche 14
durch die Glas-Bindeschicht 18 verbunden ist. Jede Lage des
laminierten Glas-Keramik/Füllstoff-Bandes kann vor dem
Brennen mit geeigneten Löchern oder Vias versehen werden,
welche nach dem Brennen Schlitze 22 in der gemeinsam
gebrannten mehrschichtigen Keramik 20 bilden, so daß
integrierte Schaltungschips 24 (oder andere Komponenten)
unmittelbar an der Metallbasis 12 angebracht werden können.
Ein Gehäuse 26, das die jeweiligen Chips 24 abdeckt, kann
hermetisch mit der Metallbasis 12 verbunden werden. Die
Chips 24 werden elektrisch, z. B. durch Drahtverbinden oder
andere bekannte Mittel elektrisch angeschlossen. Alternativ
können die Chips 24 jeweils durch eine nicht-hermetische
Vergußmasse oder Verkapselung 26 geschützt werden.
An der entgegengesetzten Hauptfläche 16 der Basis 12 ist
durch einen Kleber 32 ein Kühlkörper 30 angebracht. Die
mikroelektronische Einheit enthält ferner eine Halterungs
struktur 34, mit der das Multichip-Modul in einem nicht
dargestellten Gerät montiert werden kann.
Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt, enthält die gemeinsam
gebrannte mehrschichtige Keramik 20 metallische Leiter, die
derzeit Ag und Ag/Pd enthalten. Metallische Leiter, die Cu
oder Au enthalten, sollten jedoch ebenfalls mit den
gemeinsam gebrannten mehrschichtigen Keramik-auf-Metall-
Platten des hier beschriebenen Typs verträglich sein.
Die neuen Glas-Keramik-(GC)-Materialien, die in Tabelle III
aufgeführt sind und insbesondere auch die Glas-Keramik/Füll
stoff-Materialien, die in Tabelle IV aufgeführt sind, wurden
zwar für die Verwendung in einer mikroelektronischen Packung
oder Halterungsstruktur eines Keramik-auf-Metall-Multichip-
Moduls des in Fig. 1 dargestellten Typs entwickelt, diese
neuen Materialien sind jedoch sicher auch für andere übliche
Mehrschicht-Keramik-Packungen oder Halterungsstrukturen mit
oder ohne Metallbasis oder Metallsubstrat brauchbar.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten neuen Verfahren wird eine
Glas-Bindeschicht 18 beispielsweise durch Sprühbeschichtung
auf die eine Hauptfläche, z. B. die Fläche 14, der Basis 12
aufgebracht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens wurde eine Schicht aus einem Glas des Typs SCC-11
verwendet, von dem eine Suspension hergestellt worden war,
indem man es in Pulverform mit etwa 60 bis 90 Volumen-
Prozent eines geeigneten Lösungsmittels, wie 2-Propanol,
Aceton, Ethanol oder Terpinol mischte, wobei 2-Propanol
bevorzugt wird. Die laminierte Keramik-Schicht 20 kann
getrennt hergestellt werden, indem man eine Anzahl von Lagen
aus selektiv metallisiertem Glas-Keramik/Füllstoff-Band,
in dem Durchbrüche oder Vias gebildet wurden, aufeinander
stapelt und die laminierte Struktur einer Vorerhitzung oder
einem Biskuitbrand unterwirft, um die organischen Bestand
teile aus ihr zu entfernen und einen monolithischen Keramik-
Körper zu erzeugen. Die Keramik- Schicht 20 kann alternativ
dadurch gebildet werden, daß man mehrere Lagen aus
metallisiertem und mitgestanzten Durchbrüchen versehenen
Glas-Keramik/Füllstoffband auf die Glas-Bindeschicht 18
aufbringt. Bei dem bevorzugten Verfahren wird die Glas-
Bindeschicht 18 auf eine Temperatur von etwa 450°C erhitzt,
um das Glas der Bindeschicht vorher fließen zu lassen und
einen dünnen Glasüberzug mit einer Dicke von etwa 0,025 mm
auf der Oberfläche 14 zu bilden. Dann wird die vorher
gebildete Keramikschicht auf die Glas-Bindeschicht 18 gelegt
und die ganze Struktur wird zusammen, als Ganzes in Stick
stoff (ungefähr 10 000 ppm O2) für etwa 2-20 Minuten bei bei
einer Temperatur von 900-930°C fertiggebrannt oder gesintert.
Die maximalen Brenntemperaturen beim gemeinsamen Endbrand
hängen vom Metall der Basis 12 und der Zusammensetzung der
Keramik-Schicht 20 ab. Die Haftung der mehrlagigen Keramik
schicht 20 an der Basis 12, die aus der Verwendung der
Glas-Bindeschicht 18 resultiert, verringert den x-y-Schwund
der Keramikschicht während des gemeinsamen Brennens ganz
erheblich und der Volumenschwund der Keramik wird in erster
Linie auf die z- oder Dickenrichtung beschränkt.
Claims (18)
1. Als Ganzes gebrannte mehrschichtige Keramik-auf-Metall-
Schaltungsplatte, gekennzeichnet durch eine Metall-Basis
(12), eine Bindeschicht (18) aus Glas auf dieser Basis, und
eine Keramikstruktur (20), die aus mehreren Schichten eines
Keramikbandes auf der Bindeschicht gebildet ist, wobei jede
Schicht der mehreren Keramikbandschichten ein Glas-
Keramik/Füllstoff-Material enthält.
2. Schaltungsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Metall und das Glas-Keramik/Füllstoff-Material
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die in einem
Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa 600°C
weitgehend übereinstimmen.
3. Schaltungsplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Glas-Keramik/Füllstoff-Material die folgenden Eigen
schaften hat:
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 90-130×10-7/°C;
eine Dielektrizitätskonstante unter 6,9 bei 1 MHz und
einen Verlustfaktor von höchstens 0,5% bei 1 MHz.
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 90-130×10-7/°C;
eine Dielektrizitätskonstante unter 6,9 bei 1 MHz und
einen Verlustfaktor von höchstens 0,5% bei 1 MHz.
4. Schaltungsplatte nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Glas-Keramik des Glas-Keramik/Füll
stoff-Materials eine ausgewählte Glas-Keramik aus einem
MgO-B2O3-SiO2-Glas-Keramik-System ist.
5. Schaltungsplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Glas-Keramik/Füllstoff-
Material aus mindestens 50 Gew.-% Glas-Keramik-Material und
höchstens 50 Gew.-% Füllstoff-Material besteht und daß das
Füllstoff-Material Quarz und/oder Flußspat und/oder
Cristobalit enthält.
6. Schaltungsplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus einem der
folgenden Materialien besteht: Cu, Al, nichtrostender
Stahl, Ni, kohlenstoffarmer Stahl, Cu/Invar/Cu, Cu/Mo/Cu und
Cu/rostfreier Stahl/Cu.
7. Schaltungsplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten
der gemeinsamen gebrannten mehrschichtigen Keramik (20)
aufgedruckte elektrische Leiter aus mindestens einem der
Leitermaterialien Ag, Au, AuPt, Ag/Pd, Ni und Cu enthält.
8. Schaltungsplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die mehrschichtige Keramik (20)
mindestens einen Schlitz (22) aufweist, der bis zu dem
Metall unter dem Schlitz durchgeht.
9. Schaltungsplatte nach Anspruch 8 gekennzeichnet durch
eine mikroelektronische Komponente (24), die in den Schlitz
(22) reicht und direkt an dem darunter liegenden Metall
angebracht ist.
10. Schaltungsplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die mikroelektronische Komponente (24) ein integrierte-
Schaltung-Plättchen enthält.
11. Schaltungsplatte nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet
durch eine Verkapselung (26), die die mikroelektronische
Komponente (24) und den Schlitz (22) überdeckt und an der
mehrschichtigen Keramik (20) angebracht ist.
12. Schaltungsplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß die mikroelektronische Komponente (24) durch die
abdeckende Verkapselung (26) hermetisch eingeschlossen ist.
13. Material, welches eine ausgewählte Glas-Keramik aus
einem MgO-B2O3-SiO2-Glaskeramik-System enthält, die sich für
die Verwendung bei der Herstellung einer als Ganzes gebrann
ten, mehrschichtigen keramischen Schaltungsplatte eignet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Glas-Keramik selbst in einem
Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa 600°C einen
Wärmeexpansionskoeffizienten im Bereich von 85-105×10-7/°C
aufweist.
14. Material nach Anspruch 13 gekennzeichnet durch einen
Füllstoff mit einem ausreichend hohen Wärmeexpansions
koeffizienten, um den Wärmeexpansionskoeffizienten des
Materials von dem betreffenden Wert im Bereich von
85-105×10-7/°C der ausgewählten Glas-Keramik selbst auf
einen Wert im Bereich von 90-130×10-7/°C im Bereich von
Raumtemperatur bis etwa 600°C zu erhöhen.
15. Verfahren zum Herstellen einer als Ganzes gebrannten
Keramik-auf-Metall-Schaltungsplatte, die eine mehrschichtige
Keramik-Anordnung auf einer Metallbasis enthält, welche
entgegengesetzte Hauptflächen aufweist, dadurch gekenn
zeichnet, daß
eine Bindeschicht (18) aus Glas auf eine (14) der Hauptflächen (14, 16) der Metallbasis (12) aufgebracht wird, welche Glas-Bindeschicht einen Wärmeexpansionskoeffizient hat, der nicht größer als der der Basis ist,
die mehrschichtige Keramik (20) auf der Glas-Binde schicht (18) angeordnet wird und
die Basis, die Bindeschicht aus Glas und die mehr schichtige Keramik auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreicht, um die Keramik sicher an der Basis anzubringen.
eine Bindeschicht (18) aus Glas auf eine (14) der Hauptflächen (14, 16) der Metallbasis (12) aufgebracht wird, welche Glas-Bindeschicht einen Wärmeexpansionskoeffizient hat, der nicht größer als der der Basis ist,
die mehrschichtige Keramik (20) auf der Glas-Binde schicht (18) angeordnet wird und
die Basis, die Bindeschicht aus Glas und die mehr schichtige Keramik auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreicht, um die Keramik sicher an der Basis anzubringen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bindeschicht (18) aus Glas, bevor die mehrschichtige
Keramik (20) auf ihr angeordnet wird, auf eine Temperatur
von etwa 450°C erhitzt wird, um das Glas der Bindeschicht
vorher fließen zu lassen.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Erhitzung bei einer Temperatur von etwa 900°C bis 930°C
durchgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erhitzung in einer Stickstoff
atmosphäre durchgeführt wird.
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