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Die Erfindung betrifft ein keramisches Substrat und
insbesondere ein keramisches Substrat zum Montieren von
Dickfilmhybrid-ICs oder schnellen SLI-Elementen.
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Infolge der neueren Tendenz, die Größe und das Gewicht
von elektronischen Vorrichtungen, z.B. von
Kommunikationseinrichtungen, elektronischen Heimgeräten, Computern usw., zu
verringern, um die Anzahl der Funktionen, die sie durchführen
können, zu erhöhen, um sie mit hoher Bauelementdichte und mit
hoher Zuverlässigkeit herzustellen, sind die
Verdrahtungstechnik zum Verbinden von Halbleiter-Chips ebenso wie die hohe
Integration und die hohe Betriebsgeschwindigkeit der Chips
wichtiger geworden. Substratmaterialien können grob
klassifiziert werden als zugehörig zu einer Gruppe der organischen
Harze, einer Metallgruppe und einer Keramikgruppe. Von diesen
wird die Keramikgruppe häufig auf Gebieten verwendet, bei
denen hohe Qualität, hohe Zuverlässigkeit und lange
Lebensdauer erforderlich sind. Bei den Keramikmaterialien ist
Aluminiumoxid angesichts seiner elektrischen Charakteristik
und seiner Kosten in großem Maße verwendet worden. Bei
Verwendung des Grünschicht-Mehrlagenverfahrens, mit dem
dreidimensionale Verdrahtung möglich ist und das insofern Vorteile hat,
als eine höhere Dichte realisiert werden kann, ist jedoch das
Leitermaterial der Verdrahtungsschicht auf Metalle, z.B.
Wolfram oder Molybdän, beschränkt, deren spezifischer
Widerstand relativ hoch ist, da es notwendig ist, sie durch
Erwärmung auf Temperaturen zu bringen, die der Sintertemperatur von
Aluminiumoxid, nämlich 1500 bis 1600 ºC, entsprechen.
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Angesichts dieser Beschränkung ist eine bei niedriger
Temperatur sinternde Keramik, die ein Verbundmaterial aus Glas
und einer Wirtskeramik ist, entwickelt worden. Da dieses
Verbundmaterial einen niedrigen Schmelzpunkt hat, kann ein
metallisches Material als Verdrahtungsschicht verwendet werden,
dessen spezifischer Widerstand niedrig ist und welches
Material gleichzeitig mit dem Sintern des Keramikmaterials gesintert
werden kann. Ein metallisches Material wie Gold, Silber und
Kupfer hat angesichts der hohen Kosten von Gold und der
Instabilität von Kupfer gegenüber Oxidation keinen großen
Anteil am Hybrid-IC-Substrat-Markt, und folglich kann man
sagen, daß Silber oder Silber enthaltendes Material
hauptsächlich als Verdrahtungsmaterial verwendet wird. Eine
Verdrahtungsschicht aus Silber oder aus Silber enthaltendem Material
weist jedoch ein Migrationsproblem auf, und um dieses Problem
zu lösen, ist bisher eine Silberlegierung mit Palladium o.dgl.
verwendet worden. Es ist keine Veröffentlichung über die
Zusammensetzung dieser Legierung bekannt.
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Obwohl das Verhältnis zwischen Silber und Palladium
normalerweise aufgrund der Anforderungen, daß keine Migration
stattfinden soll, der Lotbenetzbarkeit, des Lotverlustes, des
Haftvermögens und des Widerstandswertes auf 80:20 festgelegt
wird, ist bisher gewünscht worden, ein leitendes Material mit
einem hohen Silberanteil zu verwenden, um den Widerstandswert
zu verringern und die Lotbenetzbarkeit und die
Alterungscharakteristik zu verbessern. Lotverlust, schlechtes Anpassen an
überquerendes Glas, Qualitätsminderung der Lotbenetzbarkeit
aufgrund der Oberflächengalvanisierung und Silbermigration
können auf verschiedene Weise minimiert werden, und somit
besteht eine gute Möglichkeit dafür, daß ein solches Material
in künftigen Entwicklungen verwendet wird.
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Andererseits ist ein Mehrschichtglas-Keramiksubstrat,
bei dem die Verdrahtungslänge verringert werden kann und eine
hochdichte Verdrahtung möglich ist, von Interesse für die
Verwendung bei Mehrchip-Verkapselungen, die in großen,
schnellen Computern verwendet werden und bei denen eine große Anzahl
von LSI-Chips auf ein einzelnes Substrat montiert werden. Als
Verdrahtungsmaterial bei einem solchen
Mehrschichtglas-Keramiksubstrat kann das oben erwähnte Silber oder Silber
enthaltende Material verwendet werden. Bei der weiteren Vergrößerung
der Montagedichte, besteht allerdings die Tendenz, daß die
Abmessungen des Substrats größer werden. Um solche großen
Substrate auf die gleiche Weise zu sintern wie die mit
herkömmlichen Abmessungen, ist es erforderlich, die Sinterzeit zu
verlängern. Dies kann jedoch die Diffusion von Silber aus der
Verdrahtung in das Glassubstrat während des Sintervorgangs
vergrößern, woraus das Problem entsteht, daß eine
beträchtliche Verschlechterung bei verschiedenen Charakteristiken der
Verdrahtung aus Silber oder Silber enthaltendem Material
auftritt.
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In der US-A-4 748 136, die am 31.5.1988
veröffentlicht wurde, wurde ein
Keramik-Glas-Metall-Verbundmaterial vorgeschlagen, bei dem Silberpartikel diskontinuierlich
im gesamten Verbundstoff dispergiert wurden zur Verbesserung
der Fließcharakteristik des Verbundmaterials.
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Ein Merkmal der Erfindung ist das Bereitstellen eines
Substrats mit Verdrahtung, die ihre Charakteristik kaum ändert
und die zu einer Silberreihe gehört.
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In einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird ein keramisches Substrat bereitgestellt, das einen
Keramikkörper mit einer Hauptfläche aufweist. Der
Keramikkörper enthält 0,1 bis 2.5 Gew.-% Silber. Eine
Verdrahtungsschicht ist auf der Hauptfläche des Keramikkörpers ausgebildet
und ist aus Silber und aus Silber enthaltendem Material.
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In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist ein keramisches Substrat einen Keramikkörper auf, der
aus einer Anzahl von keramischen Isolierschichten besteht, die
übereinander angeordnet sind. Jede der keramischen
Isolierschichten enthält 0,1 bis 2,5 Gew.-% Silber und hat eine obere
und eine untere Fläche. Eine Verdrahtungsstruktur, die aus
Silber oder Silber enthaltendem Material besteht, ist auf der
oberen und/oder der unteren Fläche der keramischen
Isolierschichten ausgebildet, so daß eine Gruppe von
Verdrahtungsschichten der Verdrahtungsstruktur innerhalb des
Keramikkörpers positioniert ist. Der Keramikkörper oder die keramische
Isolierschicht besteht im wesentlichen aus einem Hauptmaterial
und dem Silber, und das Hauptmaterial kann im wesentlichen aus
Keramik, z.B. Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), und Glas, z.B.
Borosilikat-Bleiglas, oder aus Quarzglas und Kordierit und
Borosilikatglas bestehen. Das Silber ist im Keramikkörper in Partikeln
enthalten, wobei jedes Partikel vorzugsweise einen Durchmesser
von 1 bis 5 um hat, wobei das Silber im wesentlichen
gleichmäßig im Hauptmaterial dispergiert ist, so daß in jedem
Abschnitt des Keramikkörpers oder der keramischen Isolierschicht
der prozentuale Anteil des Silbergewichts am Gesamtgewicht des
Hauptmaterials und des Silbers 0,1% oder mehr und 2,5% oder
weniger beträgt.
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Da das keramische Substrat der bevorzugten
erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Keramik aufweist, die zwischen
0,1 bis 2,5 Gew.-% Silber aufweist, ist jede Diffusion des
leitenden Materials, das als Hauptbestandteil Silber enthält
und die Verdrahtung bildet, in die keramische Isolierschicht
des Substrats hinein während eines Sintervorgangs
eingeschränkt, was zu stabileren Verdrahtungsleitercharakteristiken
nach dem Sintern führt.
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Nachstehend werden erfindungsgemäße Ausführungsformen
anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügte Fig. 1
beschrieben, die eine Schnittdarstellung eines Substrats ist.
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In Fig. 1 ist eine geschnittene Ansicht eines
keramischen Substrats dargestellt. Das keramische Substrat weist
einen Keramikkörper mit 6 keramischen Isolierschichten 1, die
übereinander angeordnet sind, und eine Verdrahtungsstruktur 2
auf. Die Verdrahtungsstruktur 2 ist selektiv auf den oberen
Flächen 10 und auf den unteren Flächen 9 der betreffenden
keramischen Isolierschicht 1 ausgebildet und erstreckt sich
durch Löcher 11, die in den Schichten ausgebildet sind, um die
betreffenden Verdrahtungsschichten der Struktur 2 auf den
oberen und den unteren Seiten oder Flächen der Schichten 1
elektrisch zu verbinden. Die Verdrahtungsstruktur 2, die eine
dreidimensionale Form aufweist, weist ferner auf: erste
Elektroden 6, die sich auf der oberen Fläche 10' der oberen
keramischen Isolierschicht 1 befinden und die geeignet sind,
mit einem Halbleiterelement 4, z.B. einem IC oder einem LSI-
Chip mittels Lot 12 verbunden zu werden, und zweite
Elektroden, die sich auf der unteren Fläche 9' der unteren
keramischen Isolierschicht 1 befinden und die geeignet sind, mit den
Anschlußleitungen 5, einschließlich der Eingangs- und
Ausgangsanschlußleitungen, verbunden zu werden. Die keramischen
Isolierschichten 1 enthalten 0,1 bis 2,5 Gew.-% feine
Silberpartikel 3, die durch schwarze Punkte oder Kreise dargestellt
sind.
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Bei einer ersten zu beschreibenden erfindungsgemäßen
Ausführungsform wird ein keramisches Substrat beschrieben, das
unter Verwendung von binäres Pulvermaterialgemisch aus
Aluminiumoxid und Blei-Borosilikatglas als Rohmaterialien
hergestellt wird. Da die Sintertemperatur dieses Verbundmaterials
nur 900ºC beträgt, kann eine Silber enthaltende Paste als
leitendes Material für die Verdrahtung verwendet werden, um
gleichzeitig mit dem Substrat gesintert zu werden. Zum
Beispiel wurde in einem Fall eine Legierung aus Silber und
Palladium verwendet. Es gibt weitere Vorteile bei der
Verwendung von Keramik und Glas als Hauptmaterial, nämlich daß ihre
dielektrischen Eigenschaften (z.B. eine Konstante) niedriger
sind als die von Aluminiumoxid, daß dessen
Wärmedehnungskoeffizient im wesentlichen mit dem der Elemente von Si
übereinstimmt, daß dessen mechanische Festigkeit durch
Anorthitphasendekomposition aufgrund der Reaktion zwischen Aluminiumoxid
und Glas verbessert ist und daß es die Migration bei Silber
einschränkt.
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Wenn die Grünschichtlaminierung, die bei der
hochdichten Montage vorteilhaft ist, als Herstellungsverfahren für
dieses Substrat verwendet wird, wird Rohglaspulver zerdrückt,
um die Partikelgröße zu steuern, und dann mit Aluminiumoxid in
einem Verhältnis von 45% Glas zu 55 Gew.-% Aluminiumoxid zu
mischen. Nachdem eine vorbestimmte Menge feiner Silberpartikel
mit einer durchschnittlichen Größe von 1 bis 5 um zu dem
Gemisch hinzugefügt und dieses damit gemischt worden ist, wird
es ferner mit einem organischen Träger gemischt, um eine
Schlickermischung zu erzielen. Dann wird eine Grünschicht mit
einer gewünschten Dicke unter Verwendung des
Schlickergußschichtausbildungsverfahrens erzeugt und ein geformtes
Erzeugnis unter Ausbildung von durchgehenden Löchern hergestellt,
wobei eine Silber-Palladium-Leiterstruktur als
Verdrahtungsstruktur zum Aufdrucken einer Verdrahtungsstruktur und zum
Aufdrucken der durchgehenden Lochfüllung verwendet wird, und
zwar mittels Laminierung und thermischem Zusammendrücken. Das
geformte Erzeugnis wird nach der Entfernung des Bindemittels
gesintert, was zu einem Mehrschichtverdrahtungssubstrat führt.
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Der Grund, warum der Anteil der hinzuzufügenden feinen
Silberpartikel 3 beschränkt ist auf den Bereich 0,1 bis 2,5
Gew.-%, wird nachstehend beschrieben. Zunächst muß die Menge
dieser Silberpartikel ausreichen, um zu verhindern, daß Silber
während des Sintervorgangs aus der Glasphase, die die
Isolierschicht bildet, diffundiert. Wenn jedoch die hinzugefügte
Menge zu groß ist, werden die Charakteristiken de
Isolierschicht, insbesondere die Isoliercharakteristik, schnell
schlechter. Unter diesen Umständen ist die Wirkung feiner
Silberpartikel auf die Charakteristiken der Silber
enthaltenden Leiter und auf die Isolierschicht über einen Bereich
untersucht worden, in dem das Verhältnis von hinzugefügten
feinen Silberpartikeln von 0 bis 10 Gew.-% Silber und 95 Gew.-
% verändert wurde. Die spezifischen Widerstände von Leitern
mit 100 Gew.-% Silber und 95 Gew.-% Silber wurden aus den
Widerstand und den Querschnittswerten nach dem Sintern
berechnet und als Leitercharakteristik festgelegt; die Schrumpfung
und die Dichte des gesinterten Körpers wurden nach dem
Archimedischen Prinzip berechnet; die Biegefestigkeit wurde nach
dem 3-Punkt-Biegeverfahren berechnet; die dielektrische
Konstante und der dielektrische Verlust wurden bei 1 MHz
gemessen; der Isolierwiderstand wurde gemessen, als eine
Spannung von 50 V angelegt wurde; und die Durchschlagsspannung
und der durchschnittliche thermische
Leitungsdehnungskoeffizient in einem Bereich von Raumtemperatur bis 350ºC wurde als
Isoilierschichtcharakteristik festgelegt. Die Ergebnisse sind
in Tabelle 1 dargestellt. Wenn der Isolierschicht keine feinen
Silberpartikel hinzugefügt wurden, änderte sich der
spezifische Widerstand des Leiters beträchtlich und wurde instabil.
Es wurde beobachtet, daß, wenn der Isoilierschicht 0,1 Gew.-%
feine Silberpartikel hinzugefügt wurden, die Diffusion von
Silber aus dem Leiter während des Sintervorgangs beschränkt
war und der spezifische Widerstand stabil wurde. Andererseits
wurde bezüglich der Charakteristiken der Isolierschicht, wenn
der Anteil der hinzugefügten feinen Silberpartikel 2,5 Gew.-%
überschritt, eine Verschlechterung beobachtet. Insbesondere
wurden die Isoliercharakteristik, z.B. der Isolierwiderstand
und die Durchschlagsspannung, plötzlich schlechter. Somit wird
der Anteil von hinzugefügten feinen Silberpartikeln, mit denen
die Charakteristik des Silber enthaltenden Leiters, der die
Verdrahtung bildet, stabilisiert wurden, ohne die
Charakteristik der Isoilierschicht negativ zu beeinflussen, innerhalb
eines Bereichs von 0,1 bis 2,5 Gew.-% definiert.
Tabelle 1
Menge der hinzugefügten feinen Silberpartikel (Gew.-%)
spezifischer Widerstand des Leiters (Verdrahtung) (uX cm)
Schrumpfrate (%)
Dichte des zu sinternden Materials (g/cm³)
Biegefestigkeit (kg/cm²)
Dielektrizität
dielektrischer Verlust
Isolierwiderstand (X cm)
Durchschlagspannung (kV/cm)
thermischer Dehnungskoeffizient (x 10&supmin;&sup7;/ºC)
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In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird
eine Dreikomponentenkeramik aus Quarzglas, Kordierit und
Borosilikatglas als Rohmaterial für ein keramisches Substrat
verwendet, und diese Ausführungsform wird nachstehend
beschrieben. Da die Sintertemperatur dieses Verbundmaterials nur
900ºC beträgt, ist es möglich, eine Silber enthaltende Paste
sowohl als sinternden Leiter als auch als eine
Verdrahtungsschicht gleichzeitig zu verwenden. In einem besonderen
Beispiel wurde eine Legierung aus Silber und Palladium verwendet,
wie in der ersten oben beschriebenen Ausführungsform. Dieses
Material hat dielektrische Eigenschaften (z.B. eine
Konstante), deren Wert nur 4,4 beträgt, was vorteilhaft ist bei
der Verbesserung der Übertragungsgeschwindigkeiten, und sein
Wärmedehnungskoeffizient ist gut an den eines Si-Elements
angepaßt. Seine Biegefestigkeit ist relativ hoch und beträgt
1600 kg/cm. In dem bestimmten Beispiel wurde in den
Gewichtsverhältnissen 20:15:65 gemischt. Die Auswirkungen dieses
Materials auf die Charakteristik sowohl des Leiters als auch
der Isolierschicht wurden geprüft, indem feine Silberpartikel
in einem Bereich, der von 0 bis 10 Gew.-% verändert wurde,
hinzugefügt wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2
aufgeführt, aus der hervorgeht, daß der optimale Anteil 0,1 bis 2,5
Gew.-% beträgt, wie in der ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsform.
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Da, wie oben beschrieben, der Leiter der
Verdrahtungsschicht als Hauptbestandteil Silber enthält und die keramische
Isolierschicht feine Silberpartikel im Bereich von 0,1 bis 2,5
Gew.-% enthält, ist die Diffusion von Silber, das im Leiter
enthalten ist, in die keramische Isolierschicht während des
Sintervorgangs eingeschränkt, und somit sind die
Charakteristiken der Verdrahtungsleiter nach der Sinterung stabil.
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Es wird deutlich, daß, obwohl die Erfindung mit Bezug
auf bestimmte Ausführungsformen änhand von Beispielen
beschrieben worden ist, Veränderungen und Modifikationen
innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche gemacht
werden können.
Tabelle 2
Menge der hinzugefügten feinen Silberpartikel (Gew.-%)
spezifischer Widerstand des Leiters (Verdrahtung) (uX cm)
Schrumpfrate (%)
Dichte des zu sinternden Materials (g/cm³)
Biegefestigkeit (kg/cm²)
Dielektrizität
dielektrischer Verlust
Isolierwiderstand (X cm)
Durchschlagspannung (kV/cm)
thermischer Dehnungskoeffizient (x 10&supmin;&sup7;/ºC)