DE4243040C2 - Mehrschichtige Metall-Keramik-Leiterplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Mehrschichtige Metall-Keramik-Leiterplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine als Ganzes gebrannte mehrschichtige Keramik-Metall-Leiterplatte mit den im Oberbegriff des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmalen, sowie ein Verfahren zur Her­ stellung einer solchen Platte.
Es ist bekannt, mehrschichtige, gemeinsam gebrannte Keramik- Schaltungsplatten aus einem Stapel von Schichten aus im Handel erhältlichem keramischem dielektrischen Bandmaterial herzustel­ len, 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 Bandmaterial haben je­ weils eine Dicke von etwa 0,13 mm. Die Oberfläche jeder Schicht kann mit metallischen Leitern bedruckt sein, die miteinander durch kleine Löcher (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 hergestellte keramische Schal­ tungsplatte ist beispielsweise in der US-PS 5 041 695 (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-Sintertechnologie wird für Aluminiumoxid- und Aluminiumnitrid-Keramik verwendet, während die Niedertempe­ ratur-Sintertechnologie für Glaskeramik (mit keramischem Füll­ stoff versetzte Gläser im Glaszustand oder entglasten Zustand) verwendet wird. Aus der DE 25 33 687 C2 und der US 4 185 139 ist es bekannt, Füllstoffe mit niedrigerer Wärmeausdehnung zu ver­ wenden, um die thermische Ausdehnung des Lötglases herabzuset­ zen, so daß es sich mit Keramiken, die eine geringere Wärmeaus­ dehnung haben als Lötglas, verträgt. Ferner ist es aus der US 5 047 371 bekannt, ein Füllmaterial wie Calciumfluorid (Fluß­ spat) zur Erhöhung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ei­ nes Versiegelungsglases zu verwenden, um diesen Koeffizienten demjenigen eines Metalls wie etwa Kupfer anzugleichen. Jedoch wird dort von der Verwendung solcher Füllstoffe abgeraten, weil diese dazu neigen, die Fließeigenschaften des Versiegelungsgla­ ses zu verschlechtern und damit die Güte der Versiegelung zu beeinträchtigen. Schließlich ist aus der DE 33 24 933 C2 eine keramische Mehrschicht-Leiterplatte bekannt, in der eine Viel­ zahl von keramischen Schichten mit jeweils einem Leiterbahn­ muster auf der oberen Oberfläche übereinandergeschichtet sind, wobei jede keramische Schicht ein Sinterprodukt ist, das Sili­ ziumoxid und ein Glas enthält, dessen Erweichungspunkt unter dem Schmelzpunkt des die Leiterbahnmuster bildenden elektrisch leitenden Materials liegt, wobei jede keramische Schicht minde­ stens zwei Arten von sich in ihrer Kristallform unterscheiden­ den Siliziumoxid enthält, die unterschiedliche thermische Aus­ dehnungskoeffizienten aufweisen. Außer dem Vorteil einer nied­ rigen Dielektrizitätskonstanten von Siliziumdioxid, welche im Interesse einer möglichst geringen Übertragungsverzögerung elektrischer Signale erwünscht ist, läßt sich über das Mi­ schungsverhältnis der beiden Siliziumoxidarten der thermische Ausdehnungskoeffizient steuern. Die Leitermetallurgie für bei hoher Temperatur gleichzeitig gebrannte Schaltungsplatten ar­ beitet mit W oder Mo-Mn, während bei Schaltungsplatten, 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 entweicht, welche zwischen den Teil­ chen sowie im organischen Binder des GREEN TAPE-Bandmaterials eingeschlossen ist. Der Schwund ist verhältnismäßig groß, typi­ scherweise 10 bis 15% für bei niedriger Temperatur als Ganzes gebrannte Mehrschicht-Schaltungsplatten. Man kann zwar versu­ chen, den Schwund in den Flächenrichtungen x und y durch Über­ dimensionierung der Fläche der Schichten aus dem GREEN TAPE- Bandmaterial zu kompensieren, es ist jedoch recht schwierig, den Schwund konsistent zu kontrollieren. Um beispielsweise die Schwankungen der x- und y-Abmessungen einer gebrannten mehr­ schichtigen Schaltungsplatte innerhalb eines Toleranzbereiches 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 mehrschichtigen Schaltungs­ platten 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 Sub­ strats möglichst nahezukommen. Man hat Glaskeramiken mit hohem Bariumgehalt und hohem Ausdehnungskoeffizienten entwickelt, die für die Herstellung solcher Porzellanemail-auf-Stahl-Platten verwendet werden können. Es sind auch andere Keramiksysteme be­ kannt, die einen relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der typischerweise durch den Zusatz von Oxiden von Schwermetallen, wie Blei, Barium oder Alkalien, z. B. Natrium und Kalium, erreicht wird. In der US 4 256 796 ist die Zusam­ mensetzung eines solchen Systems unter Verwendung von Barium­ oxid zur Erreichung des gewünschten hohen thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten bekannt. Dies hat jedoch höhere Dielektrizi­ tätskonstanten 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 mikroelek­ tronischen Baugruppen oder Moduleinheiten und zur Halterung und zum Anschluß von IC-Chips verwendet werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrschichtige, als Ganzes gebrannte Keramik-Metall-Leiterplatte, vorzugsweise für mikroelektronische Baugruppen zu schaffen, bei denen die Zusammensetzung des Glas-Keramik/Füllstoff-Materials derart ge­ wählt ist, daß sein Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Tempe­ raturbereich von Raumtemperatur bis etwa 600°C weitgehend mit dem des metallischen Trägers übereinstimmt. Insbesondere soll der Wärmeausdehnungskoeffizient der Leiterplatte im Bereich von 90 bis 130 × 10-7/°C und ihre Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz unter 6,9 liegen und bei 1 MHz soll ihr Verlustfaktor maximal 0,5 betragen. Ferner soll durch die Erfindung ein Ver­ fahren zur Herstellung einer derartigen Leiterplatte angegeben werden, bei der eine sichere Verbindung der Keramik mit dem Me­ tallträger gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. Anspruch 5 an­ gegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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 einen metallischen Träger oder ein Metallsubstrat 12 mit zwei einander entgegengesetzten Hauptflächen oder Seiten 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 Seiten 14 und 16 mit einem geeigneten Material, wie Kupfer, mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 25 um 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 ein Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der kleiner ist als der des Substrats 12, wird als Suspension auf eine der Seiten, z. B. die Seite 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 Ausdehnungs­ koeffizienten, der kleiner als der des Metallsubstrats 12 ist, hat, genügend mit der Kupferbeschichtung und den Kupferoxiden auf der Oberfläche 14 des Substrats 12 reagieren, um die Verbindung zwischen der Keramik 20 und Substrat während des gemeinsamen Brennvorganges zu fordern 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 des Metallsubstrats 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.
TABELLE I
Keramik-Metall-Leiterplatten 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 eine Cu/nichtrostender/­ Stahl/Cu-Substrat 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%. Das Metallsubstrat 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 Leitermaterialien 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 des Metallsubstrats zu verhindern. In dem laminierten Band können geeignete Schlitze für integrierte-Schaltungs- Chips vorgesehen sein, um diese direkt auf dem Metallsubstrat 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 Metallsubstrat 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 GREEN-TAPE-Material vorsieht, wie es in Fig. 1 dargestellt und unten beschrieben ist oder auf der der mehrschichten Keramik entgegengesetzten Seite des Metallsubstrats. 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.
TABELLE II
Eigenschaften
Gewünschter Wert
Wärmeausdehnungskoeffizient (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 gegenüber den 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 × 10-7/°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 Wärmeausdehnung 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 Ausdehnungskoeffizient 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 ihre Verwendung zur Herstellung von als Ganzes ge­ brannten hochdichten Mehrschicht-Keramik-Metall-Leiterplatten erlauben und
  • 2) dann geeignete Füllstoffe in solche ins Auge gefaßten GC- Materialien 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 SnO als Zusätze enthält und für die Entwicklung von vorgesehenen Glas-Keramik-(GC)- Materialien 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 Wärmeausdehnungskoeffizient 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 Ausdehnungskoeffizienten 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 × 105Pa (15 psi) 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 ausdehnungsangepaßte 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 e ingesetzt werden. Die Glas-Keramik kann ferner als weitere Zusatze bis zu 10 Gew.-% (einzeln oder in Kombination) Li2O, Na2O, K2O, Al2O3, PbO, Bi2O3 und/oder SrO enthalten.
Drei Füllstoffe wurden als Materialien zur Feinabstimmung der Eigenschaften der Glaskeramik ausgewählt, nämlich Flußspat (CaF ), Quarz (SiO2) und Cristobalit (SiO2) . Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten 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 Ausdehnungs- und der Dielektrizitätskonstante der Substrat-Glas-Keramik (GC) in Betracht gezogen. Durch Änderung des Füllstoffanteils im Glas-Keramik/Füllstoff- System kann der Ausdehnungskoeffizient 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.
TABELLE IV
Zur weiteren Erhöhung des Wärmeausdehnungskoeffizienten 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 das Metallsubstrat 12, welches eine erste und eine zweite Seite 14 bzw. 16 aufweist, und die gemeinsam gebrannte mehrschichtige Keramik 20, die mit der ersten Seite 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 dem Metallsubstrat 12 angebracht werden können. Ein Gehäuse 26, das die jeweiligen Chips 24 abdeckt, kann hermetisch mit dem Metallsubstrat 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 Seite 16 des Substrats 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 Seite, z. B. die Seite 14, des Substrats 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 Biskuit-Brennen 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 des Substrats 12 und der Zusammensetzung der Keramik-Schicht 20 ab. Die Haftung der mehrlagigen Keramik­ schicht 20 am Substrat 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 (8)

1. Gesinterte mehrschichtige Keramik-Metall-Leiterplatte mit einem metallischen Träger, einer auf diesem befindlichen Bindeschicht und einer darauf angeordneten Keramikschicht, welche übliche Leitstrukturen trägt, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Bindeschicht eine Glasschicht auf Basis von Pb-Zn- oder Pb-Zn-Ba-Borosilikaten ist,
  • - die Keramikschicht aus mindestens 50 Gew.-% einer Glas­ keramik aus:
    10-20 Gew.-% SiO2
    20-35 Gew.-% B2O3
    25-50 Gew.-% MgO
    0-10 Gew.-% ZnO
    0-22 Gew.-% CaO
    0-18 Gew.-% SnO2
    0-10 Gew.-% BaO und Füllstoffen aus Quarz und/oder Flußspat und/oder Cristo­ balit (Si02-Modifikation) mit höchstens 50 Gew.-% besteht.
2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramik-Material zusätzlich bis 3 Gew.-% Cr2O3, CoO, Fe2O3, CuO, CeO2 und/oder Pr2O3 und bis zu 10 Gew.-% Li2O, Na2O, K2O, Al2O3, PbO, Bi2O3 und/oder SrO enthält.
3. Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger aus Cu, Al, nichtrostendem Stahl, Ni, kohlenstoffarmem Stahl, Cu/Invar/Cu, Cu/Mo/Cu oder Cu/rostfreiem Stahl/Cu besteht.
4. Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstrukturen als mindestens eines der Leitermaterialien Ag, Au, AuPt, Ag/Pd, Ni und Cu enthalten.
5. Verfahren zum Herstellen einer Keramik-Metall-Leiter­ platte nach Anspruch 1, bei welchem auf einer Seite eines dop­ pelseitigen metallischen Trägers eine Bindeschicht und auf dieser eine Keramikschicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf dieser Seite (14) eine Binde­ schicht (18) aus dem Glas mit einem Wärmeexpansionskoeffizien­ ten, der nicht größer als derjenige des Trägers ist, aufge­ bracht wird und daß auf dieser Glasschicht (18) die Keramik­ schicht in Form einer aus mehreren Schichten eines Keramikban­ des bestehenden Keramikstruktur (20) angeordnet wird und daß der Träger, die Glasschicht und die mehrschichtige Kera­ mikstruktur auf einer ausreichenden Temperatur zur sicheren Befestigung der Keramikstruktur auf dem Träger gebrannt wer­ den.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht (18) vor dem Aufbringen der mehrschichti­ gen Keramikstruktur (20) auf eine Temperatur von etwa 450°C erhitzt wird, bei welcher das Glas fließt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennen bei einer Temperatur von etwa 900°C bis 930°C durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennen in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.
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