DE69311870T2

DE69311870T2 - Zusammensetzungen zum Füllen von Durchgangslöchern

Info

Publication number: DE69311870T2
Application number: DE69311870T
Authority: DE
Inventors: Jacob Hormadaly; Arthur Harvey Mones
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1993-03-05
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2013-03-06
Also published as: EP0591604A2; KR940010132A; JP2724089B2; EP0591604A3; TW238393B; EP0591604B1; KR0128679B1; CN1085343A; DE69311870D1; JPH06115947A

Description

Gebiet der Erfindung

-Die Erfindung bezieht sich auf Dickfilmzusammensetzungen und insbesondere auf Dickfilmpastenzusammensetzungen, die sich zur Bildung von Durchkontakten in mehrschichtigen elektronischen Komponenten eignen.

Hintergrund der Erfindung

Erhöhte Schaltungsdichten haben die Entwicklung mehrschichtiger Keramikschaltungen stimuliert. Um das Bedürfnis anzugehen wurden zwei Typen von Technologien entwickelt: (1) verdeckte Verdrahtung und (2) durch Siebdruck hergestellte Verbindungen zwischen mehreren Schichten auf einem einzigen keramischen Substrat.
Keramische Verbindungen mit verdeckter Verdrahtung bestehen aus drei Hauptbausteinen: dielektrischen Schichten, wie Aluminiumoxid und Aluminiumoxid in Kombination mit Glascordierit; Metallisierungen, wie Mo und W für die Verarbeitung bei hohen Temperaturen in einer reduzierenden Atmosphäre oder Edelmetallen und ihren Legierungen für die Verarbeitung bei niedrigeren Temperaturen in Luft oder inerten Atmosphären; sowie Leitern zum Füllen von Durchkontakten, wie Edelmetallen und ihren Gemischen und Legierungen, zur Verbindung der Leiterbahnen in benachbarten Schichten.
Dielektrische Schichten werden am häufigsten aus Grünbändern gebildet, bei denen es sich um Filme aus feinen Teilchen aus ungesintertem Dielektrikum und anorganischen Bindemitteln handelt, die in einer Matrix aus festem organischem Polymer dispergiert sind, das sich beim Brennen des dielektrischen Materials leicht verflüchtigen läßt. Solche Schichten können jedoch auch gebildet werden, indem man dielektrische Dickfilmpasten auf ein Substrat aufträgt. Solche Dickfilmpasten sind Dispersionen aus feinteiligen dielektrischen Feststoffen und anorganischem Bindemittel, die in einem organischen Medium verteilt sind, das ein in Lösungsmittel gelöstes polymeres Bindemittel enthält.
-Mehrschichtige Schaltungen werden hergestellt, indem man Löcher (Kontaktlöcher) in den Schichten aus dielektrischem Band .her stellt, Metallbahnen durch Siebdruck auf die Bandschicht aufbringt und die Kontaktlöcher mit Leiterpaste füllt; dann werden mehrere Schichten von Grünbandplatten mit aufgedrucktem Muster und gefüllten Durchkontakten aufeinandergestapelt, laminiert und bei einer geeigneten Temperatur gebrannt, so daß die in den leitenden und dielektrischen Schichten enthaltenen organischen Stoffe verflüchtigt, die leitenden Metalle gesintert und das dielektrische Material verdichtet werden. Je nach den bei einem bestimmten System verwendeten Stoffen können sie bei niedrigen Temperaturen (800-1000ºC) oder hohen Temperaturen (1300-1600ºC) gebrannt werden, so daß keramische Verbindungen mit verdeckter Verdrahtung entstehen.
Durch Siebdruck hergestellte mehrschichtige Verbindungen werden durch Auftragen von Pasten aus Dielektrika, Leitern und Durchführungsleitern (dem Aquivalent der Durchkontaktfüllung bei der verdeckten Verdrahtung) durch Siebdruck auf ein keramisches Substrat unter Aufbau aufeinanderfolgender Schichten gebildet. Gewöhnlich wird jede Schicht und zuweilen jede Komponente (Dielektrika und Leiter) der Schicht getrennt aufgedruckt, getrocknet und gebrannt. Dann wird dieser Vorgang wiederholt, so daß eine mehrschichtige Struktur entsteht. Diese Technik ist auf einige Schichten begrenzt, während (Band-)Strukturen mit verdeckter Verdrahtung mit über 60 Schichten mitgeteilt wurden.
Es ist zum Beispiel nützlich, Schaltungen mit verdeckten Silberleitern herzustellen, die eine Goldmetallisierung auf der obersten Schicht für die Drahtverbindung, zuverlässigkeit und zur Reduktion der Kosten aufweisen. Eine solche Struktur mit verdeckten Ag- und oberseitigen Au-Leitern erfordert eine elektrische Verbindung des verdeckten Ag mit dem äußeren Au mittels einer Dickfilm-Durchkontaktfüllpasten- Zusammensetzung.
Die Verbindung von Ag mit Au mittels Ag, Au oder Ag/Pd über Füllpasten leidet unter mehreren Unzulänglichkeiten. Zum Beispiel diffundiert Ag leicht in Au hinein, so daß der Au-Leiter verfärbt wird und die zuverlässigkeit durch Erhöhung der Gefahr einer Wanderung von Ag auf die oberste Schicht reduziert wird. Das Ineinanderdiffundieren von Ag und Au, insbesondere in dem zum Sintern verwendeten Temperaturbereich (700-950ºC), führt zu Hohlräumen und letztlich zu unterbrochenen Schaltungen. Ahnliche Probleme treten bei der Verbindung von verdecktem Ag mit oberseitigen Cu-Leitern über Durchkontaktfüllpasten aus Ag, Cu, Au und Ag/Pd auf. Eine Verbindung von Ag mit Cu mittels Ag-, Cu- und Ag/Fd-Durchkontaktfüllpasten kann zur Bildung eines Ag-Cu-Eutektikums führen, das eine niedrigere Schmelztemperatur als Cu und Ag hat und schmelzen kann und so zu einer unterbrochenen Schaltung führen kann.
Daher besteht ein wesentliches Bedürfnis nach einer Durchkontaktfüllzusammensetzung, die verschiedene Metalle (zum Beispiel Ag und Au oder Ag und Cu) miteinander verbinden und eine Sperre für die Diffusion von einem Metall in das andere bilden kann. Außer ihren Sperreigenschaften sollte diese zusammensetzung auch einen geringen Widerstand haben und mit den mechanischen Anforderungen einer mehrschichtigen Struktur verträglich sein.

Kurzbeschreibung der Erfindung

In ihrem primären Aspekt betrifft die Erfindung eine Dickfilmpastenzusammensetzung, die feine Teilchen aus einem leitenden Metall, das mit Silber nicht legierbar ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Os, Ru, Ir, Rh und Gemischen und Legierungen davon besteht, umfaßt, die in einem flüssigen organischen Medium dispergiert sind.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine gebrannte mehrschichtige elektronische Struktur, die abwechselnde Schichten aus gebranntem Dielektrikum und Leitermustern umfaßt und die Leiterschichten miteinander verbindende Durchkontakte aufweist, die mit der oben genannten Dickf ilmpaste gefüllt sind, wobei (1) die Schicht des gebrannten dielektrischen Bandes gesintertes Aluminiumoxid oder feine Teilchen aus gesintertem Aluminiumöxid, die in einer Matrix aus anorganischem Bindemittel dispergiert sind, umfaßt und (2) die Leitermuster und die Durchkontaktfüllzusammensetzung in Luft gebrannt wurden, so daß das organische Medium vollständig daraus verflüchtigt wurde und die leitenden Metalle gesintert wurden.
In noch einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine gebrannte mehrschichtige Struktur, die abwechselnde Schichten aus gebranntem dielektrischem Material und Leitermustern umfaßt und die Leiterschichten miteinander verbindende Durchkontakte aufweist, die mit der oben genannten zusammensetzung gefüllt sind, wobei (1) die Schicht des gebrannten dielektrischen Bandes gesintertes Aluminiumoxid oder feine Teilchen aus gesintertem Aluminiumoxid, die in einer Matrix aus anorganischem Bindemittel dispergiert sind, umfaßt und (2) die Leitermuster dieselbe Zusammensetzung wie die Durchkontaktfüllzusammensetzung haben und sowohl die Leitermuster als auch die Durchkontaktfüllzusammensetzungen in Luft gebrannt wurden, so daß das organische Medium vollständig daraus verflüchtigt wurde und die leitenden Metalle gesintert wurden.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Durchkontaktfüllzusammensetzungen der Erfindung werden normalerweise durch Siebdruck aufgetragen. Sie werden also in Form von siebdruckfähigen Dickfilmpasten vorliegen. Diese Durchkontaktfüllpasten erfordern keine Verwendung eines anorganischen Bindemittels und umfassen daher feine Teilchen aus einem Metall, das nicht mit Ag legierbar ist, d.h. das keine festen Lösungen mit Ag bildet, die in einem flüssigen organischen Medium dispergiert sind. Geeignete Metalle für diesen Zweck sind Os, Ru, Ir, Rh und Gemische und Legierungen davon. Von diesen Metallen wird Ru bevorzugt. Die Metallteilchen können partiell oxidiert sein, und vorzugsweise haben sie eine spezifische Oberfläche von 0,1-5 m²/g. Die genauen Anteile des Metalls und des flussigen organischen Mediums hängen von der Rheologie der Paste ab. Normalerweise jedoch enthalten die Pasten 90-99 Gew.-% Metallteilchen, die in 1-10% flussigem organischem Medium dispergiert sind. Solange die Rheologie der Paste für die verwendete Druckvorrichtüng geeignet ist, sind die Anteile des Mediums und des Metalls nicht entscheidend. Wenn die zusammensetzungen gebrannt werden, wird das organische Medium vollständig aus der Paste verflüchtigt, und die leitenden Metallteilchen werden gesintert.
Bei der Herstellung von Hybridmehrschichtkomponenten werden die leitenden Schichtmuster durch Auftragen von Dickfilmleiterpasten durch Siebdruck gebildet. Solche Pasten umfassen feine Teilchen aus Silber oder niedriglegiertem Silber, die in einem flüssigen organischen Medium dispergiert sind. Die Paste kann in einigen Fällen auch eine kleine Menge anorganisches Bindemittel enthalten, die gewöhnlich etwa 10 Gew.-% des Feststoffgehalts der leitenden Paste nicht überschreitet. Wenigstens etwa 0,5 Gew.-% anorganisches Bindemittel, wenn überhaupt welches verwendet wird, wird notwendig sein, um eine ausreichende technische Wirkung zu erhalten. Der Erweichungspunkt des anorganischen Bindemittels wird niedriger sein als die Sintertemperatur von Silber. Beim Brennen von mehrschichtigen Gefügen mit leitenden Schichten aus Dickfilmpaste wird das organische Medium vollständig aus der Paste verflüchtigt, und die Silbermetallteilchen werden gesintert. Wenn ein anorganisches Bindemittel überhaupt verwendet wird, wird es ebenfalls gesintert. Es sei angemerkt, daß die oben beschriebenen Durchkontaktfüllzusammensetzungen für die Verwendung zur Bildung leitender Schichten gemäß der Erfindung gleichermaßen geeignet sind.
Hinsichtlich der Durchkontaktfüllzusammensetzung, der Pasten für die leitende Schicht sowie des Grünbandes ist die Teilchengröße der Feststoffe jeweils an sich nicht entscheidend, solange die Teilchen nicht so groß sind, daß sie das Sintern beeinträchtigen, oder für den Siebdruck zu groß sind oder so klein sind, daß es zu Schwierigkeiten bei der Handhabung kommt. Daher sollte die Teilchengröße der Feststoffe zur Verwendung in der Erfindung im Bereich von 0,1-20 µm und vorzugsweise im Bereich von 0,5-10 µm liegen. Die dielektrischen Schichten zur Verwendung in mehrschichtigen Strukturen können entweder in Form von Dickfilmpästen oder in Form von Grünband (ungebranntem Band) aufgetragen werden.
Im Falle dielektrischer Dickfilmpasten werden die dielektrischen Trennschichten durch Siebdruck aufgetragen. Im Falle dielektrischer Grünbänder werden eine oder mehrere Schichten der Bänder auf das darunterliegende Substrat laminiert. Dielektrische Dickpasten umfassen feine Teilchen aus dielektrischen Feststoffen, die in einem flüssigen organischen Medium dispergiert sind, während dielektrische Grünbänder feine Teilchen aus dielektrischen Feststoffen umfassen, die in einer festen Matrix aus organischem Polymer dispergiert sind. In beiden Fällen wird das Dispersionsmedium beim Brennen der Schichten vollständig verflüchtigt, und die dielektrischen Feststoffe werden verdichtet.
Wenn Grünband verwendet wird, um die dielekrtischen Schichten herzustellen, hängt es von der Temperatur ab, bei der das System gebrannt werden soll, ob das Band ein anorganisches Bindemittel enthält oder nicht. Zum Beispiel erfordert ein Aluminiumoxid- Grünband, das bei hohen Temperaturen (1300-600ºC) gebrannt werden soll, wenig oder gar kein anorganisches Bindemittel, da es wahrscheinlicher ist, daß es während des Brennens ausreichend verdichtet wird. Aluminiumoxid-Grünband, das bei hohen Temperaturen gebrannt werden soll, enthält also 0-10 Vol.-% anorganisches Bindemittel. Andererseits erfordert ein Aluminiumoxid-Grünband, das bei niedrigen Temperaturen (800-1000ºC) gebrannt werden soll, eine wesentliche volumetrische Menge anorganisches Bindemittel, das bei solchen niedrigeren Brenntemperaturen sinterbar ist. Im letzteren Fall händelt es sich bei dem gebrannten Band im wesentlichen um eine Matrix aus gesintertem Glasbindemittel, in dem Aluminiumoxidteilchen verteilt sind. Daher kann Aluminiumoxid-Grünband, das bei niedriger Temperatur gebrannt werden soll, mehr als 50 Vol.-% anorganisches Bindemittel enthalten, bezogen auf die gesamten anorganischen Feststoffe. Die chemische Zusammensetzung des anorganischen Bindemittels, das entweder im Grünband, den Dickfilmpasten für die leitenden Schichten oder die - Durchkontaktfüllpaste verwendet werden kann, ist, falls welches verwendet wird, nicht entscheidend, um die Vorteile der Erfindung zu erhalten.
Bei der Herstellung von mehrschichtigen Strukturen unter Verwendung der Durchkontaktfüllzusammensetzungen der Erfindung kann die mehrschichtige Vorrichtung in einer nichtreduzierenden Atmosphäre, wie Luft oder Stickstoff, gebrannt werden, und es ist nicht notwendig, reduzierende Atmosphären, wie Wasserstoff, zu verwenden. Es ist ein ausgeprägter Vorteil der zusammensetzungen der Erfindung, daß sie in Luft gebrannt werden können, ohne daß eine besondere Brennatmosphäre eingestellt werden muß.

Beispiele

Beispiel 1

Eine Dickfilmpaste wurde durch herkömmliches Mischen der Komponenten und Mahlen in der Walzenmühle hergestellt. Die Paste hatte die folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
Die obige Dickfilmpaste wurde als Durchkontaktfüllung für eine verbundene mehrschichtige Struktur verwendet, die in folgender Weise hergestellt wurde:
1. Ein handelsübliches Grünband auf Aluminiumoxidbasis (Du Pont 851 Green Tape) wurde zur Bildung der dielektrischen Schichten verwendet;
- 2. Eine Golddickfilmpaste wurde zur Bildung der äußeren Leitermuster der mehrschichtigen Struktur verwendet;
3. Eine Silberdickfilmpaste wurde zur Bildung der inneren Leitermuster der mehrschichtigen Struktur verwendet; und
4. Die oben beschriebene rutheniumhaltige Paste wurde zur Füllung der Durchkontaktlöcher verwendet, die die leitenden Muster miteinander verbinden.
Das Gefüge, das aus vier leitenden und vier dielektrischen Schichten bestand, wurde in getrennte Abschnitte geschnitten und in Luft bei 850ºC gebrannt. Um die Wirkung des mehrfachen Brennens zu beobachten, wurde ein Abschnitt 5mal gebrannt, und der andere Abschnitt wurde 10mal gebrannt. Polierte Querschnitte der Durchkontakte in beiden Abschnitten wurden hergestellt und durch EPA (Electron Probe Microanalysis) untersucht, um die Agund Au-Profile durch die Abschnitte zu bestimmen. Die beiden Abschnitte wurden außerdem durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bei einer Vergrößerung von 100-500 x untersucht.
Die SEM-Aufnahmen zeigten sowohl für die 5mal als auch für die 10mal gebrannten Proben, daß die Grenzflächen zwischen dem Au und dem Ru bzw. zwischen dem Ag und dem Ru wohl definiert waren und daß das Ru-Metall gut gesintert war. Die EPA-Kartierung zeigte, daß es beim Brennen im wesentlichen zu keiner Wanderung von Au oder Ag in die Durchkontaktfüllung kam.

Beispiel 2

Um die Wirkung des Brennens der Durchkontaktfüllzusammensetzungen der Erfindung sowohl in Luft als auch in Stickstoff zu bestimmen, wurden Schichten aus der oben beschriebenen Durchkontaktfüllpaste durch Siebdruck auf ein Aluminiumoxidsubstrat aufgetragen und gebrannt. Die Dicke der aufgedruckten Schichten im gebrannten Zustand betrug etwa 30 p£m. Eine der Schichten wurde in Luft bei 850ºC gebrannt, und die andere wurde in Stickstoff bei 900ºC gebrannt. Die in Luft gebrannte Schicht zeigte eine Leitfähigkeit von 10 Milliohm pro Quadrat, und die in Stickstoff gebrannte Schicht, die deutlich metallisch aussah, zeigte eine Leitfähigkeit von 35 Milliohm pro Quadrat. Diese Daten zeigen, daß in beiden Brennatmosphären eine gute Leitfähigkeit erhalten werden kann, wenn über Aluminiumoxid gebrannt wird. Dies ist ein klarer Vorteil gegenüber der Verwendung herkömmlicher Durchkontaktfüll -pasten, bei denen die Reaktivität des Aluminiumoxids eine nachteilige Wirkung auf die Eigenschaften der Durchkontaktfüllung hat.

Claims

1. Dickfilmpastenzusammensetzung, die, bezogen auf das Gewicht der gesamten anorganischen Feststoffe, 90-100% feiner Teilchen aus einem leitenden Metall, das mit Silber nicht legierbar ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Os, Ru, Ir, Rh und Gemischen und Legierungen davon besteht, sowie 10-0% feiner Teilchen aus einem anorganischen Bindemittel umfaßt, die beide in einem flüssigen organischen Medium dispergiert sind.

2. zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei es sich bei dem leitenden Metall um Ru handelt.

3. zusammensetzung gemäß Anspruch 1, die 0,5-10% anorganisches Bindemittel mit einem Erweichungspunkt von 400-1000ºC enthält.

4. Verfahren zur Bildung elektrisch leitender Durchkontakte zwischen elektrisch-funktionellen Schichten, die durch dielektrische Schichten voneinander getrennt sind, umfassend die nacheinander durchzuführenden Schritte:

(1) Bilden von Kontaktlöchern in den dielektrischen Schichten, die die elektrisch-funktionellen Schichten voneinander trennen,

(2) Füllen der Kontaktlöcher mit der Zusammensetzung von Anspruch 1 durch Siebdruck; und

(3) Brennen der gefüllten Kontaktlöcher, so daß das flüssige organische Medium aus der Paste verflüchtigt wird und die leitenden Metallteilchen sowie das anorganische Bindemittel, falls vorhanden, gesintert werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die dielektrischen Schichten aus einem Aluminiumoxidgrünband gebildet sind, das kein anorganisches Bindemittel enthält, die Durchkontaktfüllpaste kein anorganisches Bindemittel enthält und das Brennen bei 1300-1600ºC in einer nichtreduzierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die dielektrischen Schichten aus einem Aluminiumoxidgrünband gebildet sind, das ein anorganisches Bindemittel enthält, die Durchkontaktfüllpaste kein anorganisches Bindemittel enthält und das Brennen bei 800-1000ºC in einer nichtreduzierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die elektrisch-funktionellen Schichten aus Widerständen und Leitern ausgewählt sind.

8. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die elektrisch-funktionellen Schichten leitende Schichten sind, die durch Aufdrucken und Brennen einer Dickfilmpaste hergestellt werden, die dieselbe zusammensetzung wie die Durchkontaktfüllzusammensetzung hat.

9. Gebrannte mehrschichtige elektronische Struktur, die abwechselnde Schichten aus dielektrischem Band und Leitermustern umfaßt und die Leiterschichten miteinander verbindende Durchkontakte aufweist, die mit der Dickfilmpaste von Anspruch 1 gefüllt sind, aus der durch Brennen der Struktur in einer nichtreduzierenden Atmosphäre das organische Medium vollständig verflüchtigt und das leitende Metall gesintert worden ist.

10. Gebrannte mehrschichtige elektronische Struktur gemäß Anspruch 9, wobei die gebrannte Schicht aus dielektrischem Band Aluminiumoxid umfaßt und die Struktur bei einer Temperatur von 1300-1600ºC gebrannt wird.

11. Gebrannte mehrschichtige elektronische Struktur gemäß Anspruch 9, wobei die gebrannte Schicht aus dielektrischem Band 90-99,5% Aluminiumoxid und 10-0,5% anorganisches Bindemittel mit einer Erweichungstemperatur von 800-1000ºC umfaßt und die Struktur bei einer Temperatur von 1300-1600ºC gebrannt wird.

12. Gebrannte mehrschichtige elektronische Struktur gemäß Anspruch 9, wobei die gebrannte Schicht aus dielektrischem Band eine kleinere Menge Aluminiumoxid umfaßt, die in einer Matrix aus anorganischem Bindemittel mit einer Erweichungstemperatur von 400-700ºC dispergiert ist, und die Struktur bei einer Temperatur von 800-1000ºC gebrannt wird.

13. Gebrannte mehrschichtige elektronische Struktur gemäß Anspruch 9, wobei die gebrannten zusammensetzungen der Leitermuster und des Durchkontaktfüllmaterials dieselben sind.