DE69522484T2 - Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte, auf der Halbleiterelemente montiert sind.
  • Da die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Halbleitervorrichtungen kürzlich zugenommen hat und die Halbleitervorrichtungen hochintegriert geworden sind, werden von Leiterplatten und Halbleiterbaueinheiten verschiedene Eigenschaften gefordert, um diesen Anforderungen zu genügen. Eine der Anforderungen besteht darin, den Leiterwiderstand zu reduzieren. Gemäß der Anforderung wurden keramische Leiterplatten entwickelt. In diesen werden Kupfer, Gold und Silber eingesetzt, deren Widerstände geringer sind, als der des üblicherweise verwendeten Wolframs. Keramiken, die gleichzeitig mit dem Leitermaterial mit geringem Widerstand gebrannt werden können, werden üblicherweise als bei niedriger Temperatur gebrannte Keramiken bezeichnet und sind im wesentlichen aus kristallisiertem Glas oder einer Mischung aus Glas und Keramiken zusammengesetzt, die bei einer 1000ºC nicht überschreitenden Temperatur ausreichend verflüssigt werden können. Um den inneren Leiter zu erhalten, ist es erforderlich, gleichzeitig das Leitermaterial zu brennen. Um einen hochdichten Aufbau zu erhalten, ist es erforderlich, einen inneren Leiter bereitzustellen.
  • In diesem Zusammenhang sind Gold und Silber Leitermaterialien mit geringem Widerstand, die gleichzeitig mit den bei niedriger Temperatur gebrannten Keramiken gebrannt werden können, wie in dem US-Patent Nr. 5,229,213, veröffentlicht am 20. Juli 1993, beschrieben ist. Gold und Silber haben den Vorteil, daß sie gleichzeitig an der Atmosphäre gebrannt werden können, sie haben jedoch den Nachteil, daß die Materialkosten hoch sind. Daher werden keramische Leiterplatten, in denen Gold als Leitermaterial eingesetzt ist, in der Praxis selten eingesetzt. Wenn Silber als Leitermaterial verwendet wird, tritt das Problem einer Migration auf. Daher muß ein Abschnitt, der an der Oberfläche freigelegt ist, ein Material wie Palladium enthalten, um das Auftreten von Migration zu unterdrücken. In diesem Fall ist der Leiterwiderstand der Schaltung in nachteiliger Weise erhöht.
  • Wenn Kupfer als Leitermaterial eingesetzt wird, ist Kupfer dahingehend vorteilhaft, daß die Materialkosten geringer sind als die von Gold oder Silber. Jedoch ist es, wenn Kupfer eingesetzt wird, nötig, in nicht-oxidierender Atmosphäre zu brennen. Daher ist es sehr schwierig, eine organische Komponente aus der keramischen Grünfolie zu entfernen. Aus diesem Grund wird die Brennzeit länger als die konventioneller Aluminiumoxidkeramiken, so daß die Produktivität verringert und die Produktionskosten erhöht werden. Darüberhinaus beginnt, wenn in nicht- oxidierender Atmosphäre gebrannt wird, eine Verflüssigung bevor die organische Komponente aus der Grünfolie entfernt ist, so daß die Reste in Form von Kohlenstoff in der Leiterplatte verbleiben, wodurch die Eigenschaften der Leiterplatte und insbesondere die elektrischen Eigenschaften der Leiterplatte verschlechtert werden.
  • EP-A-0,444,216 offenbart eine keramische Leiterplatte mit einem keramischen isolierenden Substrat, in dem Aluminiumdurchgangskontaktierungen (Vias) ausgebildet sind.
  • JP-A-3 276 797 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumnitridleiterplatte, in der der Leiter Kupfer ist.
  • Gemäß dieser Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte die Schritte:
  • Anfertigen einer Mehrzahl von im wesentlichen aus einem keramischen Pulver hergestellten Grünfolien;
  • Bereitstellen eines aus Aluminium bestehenden Leiters in wenigstens einer der Grünfolien;
  • Laminieren und Verbinden der Mehrzahl von Grünfolien zu einem Körper, so daß der Leiter nicht auf einer dessen Oberflächen freiliegt;
  • Durchführen einer Entbinderungsbehandlung der laminierten Grünfolien an Luft bei einer 500ºC nicht übersteigenden Temperatur;
  • Brennen der laminierten Grünfolien in trockenem Stickstoffgas bei einer 660ºC nicht unterschreitenden und 1800ºC nicht überschreitenden Temperatur; und
  • Freilegen eines Abschnitts eines inneren Leiters des durch Brennen erhaltenen, gesinterten Körpers auf der Oberfläche der Leiterplatte.
  • Vorzugsweise wird ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte eingesetzt, bei dem eine erste Komponente der Grünfolie ein keramisches Pulver ist, das im wesentlichen aus wenigstens einer der Verbindungen Aluminiumoxid, Mullit, Cordierit oder Aluminiumnitrid besteht, da es hervorragende thermische und elektrische Eigenschaften sowie eine hervorragende mechanische Festigkeit aufweist.
  • Vorzugsweise wird ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte eingesetzt, bei dem die ersten Komponenten der Grünfolie ein keramisches Pulver, das im wesentlichen aus wenigstens einer der Verbindungen Aluminiumoxid, Mullit, Cordierit, Aluminiumnitrid und Siliziumoxid besteht und ein Siliziumoxid enthaltendes Glaspulver sind, da sie zu hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften und einer ausreichenden mechanischen Festigkeit führen können, wenn sie bei einer niedrigeren Temperatur, d.h. zu geringeren Kosten gebrannt werden.
  • Der Körper wird in einer Atmosphäre aus trockenem Stickstoff gebrannt und die Herstellungszeit kann verkürzt und die Herstellungskosten reduziert werden.
  • Der Abschnitt des inneren Leiters wird vorzugsweise nach dem Brennen durch Schleifen auf der Oberfläche der Leiterplatte freigelegt. Der Oberflächenleiter kann einfach in einem späteren Prozeß durch Siebdrucken, Sputtern oder Gasphasenabscheiden geformt werden.
  • Vorzugsweise wird ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte eingesetzt, bei dem ein mit dem inneren Leiter verbundener Oberflächenleiter durch ein Dickfilm- oder ein Dünnfilmverfahren auf der Oberfläche der Leiterplatte geformt wird, nachdem ein Abschnitt des inneren Leiters auf der Oberfläche der Leiterplatte freigelegt wurde, da eine hochdichte Leitungsstruktur bereitgestellt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • - Figuren (1a) bis 1(f) schematische Abbildungen sind, die ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung der keramischen Leiterplatte zeigen.
  • Die Verwendung von Aluminium als gleichzeitig mit Keramiken zu brennendes Leitermaterial ist problematisch. Die Gründe dafür sind wie folgt:
  • Erstens liegt der Schmelzpunkt von Aluminium bei ungefähr 660ºC, einer Temperatur, die viel niedriger ist als die Brenntemperatur (ungefähr 1000ºC) von bei niedriger Temperatur gebrannten Keramiken. Zweitens ist Aluminium ein Metall, das dazu neigt, zu oxidieren. Drittens neigt Aluminium dazu, unter nicht-oxidierenden Bedingungen Nitride und Karbide und bilden, um Oxidation zu verhindern.
  • Wie oben beschrieben, ist es mit dem konventionellen Verfahren unmöglich, Aluminium als Leitermaterial für das gleichzeitige Brennen zu verwenden, jedoch hat Aluminium für Elektronikanwendungen geeignete Eigenschaften. Beispielsweise beträgt der spezifische Widerstand 2,7 · 10&supmin;&sup6; Ω cm, nicht mehr als die Hälfte des spezifischen Widerstandes von Wolfram (ungefähr 5,6 · 10&sup6; Ω cm). Der spezifische Widerstand von Aluminium entspricht ungefähr dem spezifischen Widerstand von Gold (ungefähr 2,2 · 10&supmin; &sup6; Ω cm). Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium beträgt ungefähr 200 Wm&supmin;¹K&supmin;¹ und ist höher als die Wärmeleitfähigkeit von Wolfram, wobei das spezifische Gewicht von Aluminium ungefähr 2,7 ist, deutlich geringer als das spezifische Gewicht der konventionellen Leitermaterialien. Darüberhinaus sind die Materialkosten von Aluminium geringer als die Materialkosten der konventionellen Leitermaterialien.
  • Die Erfinder haben die Vorteile und Nachteile von Aluminium, wenn es als Material für Elektronikanwendungen verwendet wird, in Betracht gezogen und verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Schließlich haben sie die vorliegende Erfindung geschaffen, indem sie die folgenden Probleme gelöst haben:
  • Wenn Aluminium und Keramiken gleichzeitig gebrannt werden, wird Aluminium bei ungefähr 660ºC geschmolzen und verflüssigt. Auf der anderen Seite sind die Keramiken bei dieser Temperatur nicht verflüssigt und die folgenden Probleme treten auf.
  • (1) Verdampfungsverlust von geschmolzenem und verflüssigtem Aluminium.
  • (2) Chemische Reaktionen zwischen Aluminium und der ersten Komponente der Keramik oder der Hilfskomponente.
  • (3) Eindringen von geschmolzenem Aluminium in die Partikel der Keramik durch Kapillarwirkung.
  • (4) Diffusion von Aluminium in die Keramik (Grenzfläche oder Gitter).
  • (5) Chemische Reaktion zwischen der restlichen organischen Komponente und Aluminium, insbesondere die Bildung von Karbid.
  • (6) Lösung der Grundkomponente der Keramik oder der Hilfskomponente in flüssigem Aluminium.
  • (7) Chemische Reaktion zwischen Aluminium und der Atmosphäre während des Brennprozesses. Insbesondere die Bildung eines Oxids, eines Nitrids oder eines Oxinitrids.
  • (8) Spannung, die durch die Differenz zwischen den thermischen Expansionskoeffizienten von Aluminium und der Keramik aufgebaut wird.
  • (9) Unterschied der Volumenänderungen von Aluminium und der Keramik während des gesamten Prozesses.
  • Bezüglich Punkt (1), der den Verdampfungsverlust von Aluminium betrifft, muß der Bereich der 660ºC nicht unterschreitenden Temperaturen berücksichtigt werden, in dem Aluminium verflüssigt ist. Bei Keramiken mit hohen Brenntemperaturen wird dieses Problem des Verdampfungsverlustes sehr ernst, da der Dampfdruck von Aluminium ansteigt.
  • Bezüglich Punkt (2), der die chemische Reaktion zwischen Aluminium und Keramik betrifft, wobei eine chemische Verbindung gebildet wird, kann angenommen werden, daß eine Aluminiumsilikatverbindung oder ein Aluminat eines Erdalkalis oder ein Oxidnitrid dieser Verbindungen gebildet wird und daß die Atmosphäre während des Brennprozesses die Bildung dieser Verbindungen beeinflußt.
  • Bezüglich Punkt (3), der das Eindringen von geschmolzenem Aluminium in die Partikel der Keramik betrifft, wird das Eindringen von geschmolzenem Aluminium durch die Benetzbarkeit der Komponentenpartikel der Keramik durch geschmolzenes Aluminium beeinflußt. Es ist bekannt, daß die Benetzbarkeit mit der Oberflächenstruktur der Keramikpartikel, dem Anteil der in dem Aluminium enthaltenen Verunreinigungen und der Atmosphäre korreliert ist.
  • Bezüglich Punkt (5), der die chemische Reaktion zwischen der restlichen organischen Komponente und Aluminium betrifft, verursacht schließlich die Bildung von Karbid ein Problem. Bezüglich der Form des Karbids sind Al&sub4;C&sub3; und Al&sub2;C&sub6; gut bekannt.
  • Bezüglich Punkt (6), der die Lösung von verschiedenen Oxidkomponenten im Medium des geschmolzenen Aluminiums betrifft, verschlechtert diese Lösung unmittelbar die elektrischen und thermischen Eigenschaften von Aluminium.
  • Bezüglich Punkt (7), der die chemische Reaktion zwischen der Brennatmosphäre und Aluminium betrifft, verursacht die Bildung von Oxid, Nitrid und Oxinitrid ein Problem, wobei Oxid bei Raumtemperatur und Nitrid ungefähr bei der Verflüssigungstemperatur gebildet wird.
  • Bezüglich Punkt (8), der die Spannung betrifft, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium und der Keramik aufgebaut wird, ist der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminium ungefähr 23 · 10&supmin;&sup6;/ºC höher als der von Kupfer (17 · 10&supmin;&sup6;/ºC). Daher wird angenommen, daß die Spannung, die durch den thermischen Expansionskoeffizienten von Aluminium aufgebaut wird, höher ist als die, die aufgebaut wird, wenn Kupfer und bei niedriger Temperatur gebrannte Keramik gleichzeitig gebrannt werden. Jedoch wird die Spannung, die durch die Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebaut wird, aufgebaut, wenn Aluminium von der Wiederverfestigungstemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Da der Elastizitätsmodul von Aluminium (ungefähr 7 · 10³ Kgmm&supmin;²) geringer ist als der von Kupfer (ungefähr 11 · 10³ Kgmm&supmin;²), wird angenommen, daß die Spannung, die durch die Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten verursacht wird, kein Problem verursacht, wenn eine Fläche der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik eine vorbestimmte Größe, die praktisch angewendet werden kann, nicht übersteigt.
  • Bezüglich Punkt (9), der die Differenz der Volumenänderung zwischen Aluminium und Keramik während des gesamten Prozesses betrifft, wird diese Differenz von dem Füllungsverhältnis von Aluminium und dem von den Keramiken verursacht. Im allgemeinen weist eine Keramik nach dem Brennen Poren auf, deren Volumenanteil einige Prozent beträgt. Auf der anderen Seite ist die Dichte von Aluminium, nachdem es verflüssigt wurde, auf ungefähr 100% angestiegen. Dementsprechend sind nach der Beendigung des Brennens Poren vorhanden, wenn das Füllungsverhältnis von Keramik und das von Aluminium vor dem Brennen gleich sind oder wenn das Füllungsverhältnis von Aluminium unzureichend ist. Im Gegensatz dazu wird, wenn das Füllungsverhältnis von Aluminium deutlich höher ist als das der Keramik, während des Brennprozesses, eine Überschußmenge von geschmolzenem Aluminium gebildet, so daß eine Spannung zwischen Aluminium und der Keramik aufgebaut wird. Demgemäß erfüllt das Füllungsverhältnis von Aluminium im Grünzustand vor dem Brennen vorzugsweise die folgende Gleichung erfüllt.
  • [Füllungsverhältnis von Aluminium] % = 100% - [(Füllungsverhältnis der Keramik nach dem Brennen) - (Füllungsverhältnis der Keramik im Grünzustand)] %
  • Die obengenannten verschiedenen Punkte wurden in Erwägung gezogen. Infolgedessen wird in der vorliegenden Erfindung das in Anspruch 1 beschriebene Herstellungsverfahren eingesetzt.
  • Beispiele für verwendbare Keramiken, die bei einer 1800ºC nicht überschreitenden Temperatur gebrannt werden können, sind: Aluminiumoxidkeramiken, Mullitkeramiken und Aluminiumnitridkeramiken. Alternativ sind Beispiele für verwendbare Keramiken, die bei einer 1800ºC nicht überschreitenden Temperatur gebrannt werden können: bei niedriger Temperatur gebrannte Keramiken, die bei einer 1100ºC nicht überschreitenden Temperatur verdichtet werden können, wobei die wesentlichen Komponenten der Keramiken wenigstens eine Kristallphase aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Siliziumoxid (SiO&sub2;), Mullit (3Al&sub2;O&sub3;·3SiO&sub2;), Aluminiumtrid (AlN) und Cordierit (2MgO·2Al&sub2;O&sub3;·5SiO&sub2;) und die Siliziumoxid enthaltende Glasphase sind.
  • In diesem Fall ist das Aluminiummaterial, das für die Herstellung des Leiters verwendet wird, vorzugsweise so rein wie möglich ist. Der Grund dafür wird wie folgt beschrieben: Wenn Aluminium eine große Menge von Verunreinigungen enthält, wird der Schmelzpunkt im allgemeinen erniedrigt und die Benetzung zwischen geschmolzenem Aluminium und dem Keramikpulver verändert und darüber hinaus werden die elektrischen Eigenschaften verschlechtert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt Aluminium in dem Brennprozeß in einem Stadium, in dem die Keramik nicht verdichtet ist, in flüssiger Form vor. Ein Beispsiel, bei dem geschmolzenes Metall und Keramik gleichzeitig gebrannt werden, ist in dem US- Patent 5,229,213, veröffentlicht am 20. Juli 1993, der gleichen Erfinder dieser Anmeldung, offenbart. Gemäß dieser Offenbarung wird ein Leitermaterial aus Gold, Kupfer oder Silber gleichzeitig mit Keramiken gebrannt, um eine aus Aluminiumnitrid bestehende Leiterplatte herzustellen. Das Herstellungsverfahren zur Herstellung der keramischen Leiterplatte, auf das die vorliegende Erfindung gerichtet ist, umfaßt einige Phänomene ähnlich denen, wie sie bei dem in der oben beschriebenen Patentveröffentlichung offenbarten Verfahren auftreten. Jedoch unterscheiden sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aluminium deutlich von denen von Kupfer und anderen Metallen. Daher müssen, wenn Aluminium eingesetzt wird, einige Untersuchungen der Herstellungstechnik durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang werden die deutlichsten Unterschiede zwischen den Eigenschaften von Aluminium und denen von Kupfer wie folgt beschrieben.
  • Der Schmelzpunkt von Aluminium ist um mehr als 400ºC geringer als der von Kupfer und Aluminium neigt dazu, zu nitridieren oder zur Karburierung.
  • Da Aluminium bei ungefähr 660ºC, einer relativ geringen Temperatur, verflüssigt wird, ist es bei der vorliegenden Erfindung erforderlich, Keramiken zu verwenden, die die folgenden physikalischen Eigenschaften aufweisen:
  • Die Keramik kann bei einer geringstmöglichen Temperatur verdichtet werden. Die Keramiken beginnen bei einer geringstmöglichen Temperatur zu verdichten. Die flüssige Phase wird bei einer geringstmöglichen Temperatur gebildet. Die Verdichtung der Keramik ist in einer kürzestmöglichen Zeitspanne abgeschlossen.
  • Im allgemeinen kann bei geringer Temperatur gebrannte Keramik bei einer 1000ºC nicht überschreitenden Temperatur verdichtet werden. Jedoch ist es, um Aluminiumoxidkeramiken oder Mullitkeramiken ausreichend zu verdichten, nötig, bei einer 1500ºC nicht unterschreitenden Temperatur zu brennen, und um Aluminiumnitridkeramiken ausreichend zu verdichten, ist es notwendig, bei einer 1600ºC nicht unterschreitenden Temperatur zu brennen. Wie oben beschrieben, ist die Brenntemperatur sehr hoch. Daher ist die Verdichtungsstarttemperatur vorzugsweise so gering wie möglich, die Partikelgröße des Pulvermaterials vorzugsweise so gering wie möglich, um die Verdichtungsgeschwindigkeit zu erhöhen und wird vorzugsweise ein geeigneter Hilfsstoff zugegeben, so daß die Flüssigphase bei einer geringstmöglichen Temperatur gebildet wird, d.h. daß die Flüssigphase bei einer 1300ºC nicht überschreitenden Temperatur gebildet wird.
  • Jedoch ist es, wenn die so erhaltene Keramik in einer nicht- oxidierenden Atmosphäre, wie einer Stickstoffatmosphäre oder einer feuchtigkeitsreduzierenden Stickstoffatmosphäre gebrannt wird, schwierig, die organische Komponente aus der Grünfolie zu entfernen, d.h. das Entbinderungsverhalten ist ungünstig. Daher wird abhängig von den Bedingungen die Verdichtung der Keramik deutlich gestört und darüberhinaus karburiert Aluminium durch den Restkohlenstoff. Bei einer den Schmelzpunkt von Aluminium nicht unterschreitenden Temperatur, insbesondere bei einer 900ºC nicht unterschreitenden Temperatur, neigt Aluminium dazu, in der Stickstoffatmosphäre zu nitridieren. Auf der anderen Seite ist in der feuchten Atmosphäre wenigstens unter konventionellen Brennbedingungen von Aluminiumoxidkeramik das Entbinderungsverhalten verbessert, jedoch oxidiert oder nitridiert Aluminium und der Reaktant des Aluminiums dringt in die Keramiken ein, wobei Blasen in den Keramiken entstehen. Jedoch sollte festgehalten werden, daß die Keramik auch in einer normalen Atmosphäre gebrannt werden kann.
  • Wie oben beschrieben, beeinflussen beim gleichzeitigen Brennen von Aluminium und Keramik verschiedene Eigenschaften wie ein geringer Schmelzpunkt, Karburierung, Oxidation und Nitridierung einander und üben einen negativen Einfluß aus.
  • Um die obengenannten Probleme zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Entbinderungsbehandlung an Luft bei einer 500ºC nicht überschreitenden Temperatur durchgeführt. Aluminium neigt dazu, zu oxidieren und es oxidiert sogar beim Raumtemperatur. Da ein Oxidfilm, der bei Raumtemperatur auf der Oberfläche von Aluminium gebildet wird, als schützender Film wirkt, schreitet die Oxidation von Aluminium in Abhängigkeit der Korngrößenverteilung bei Temperaturen unterhalb von 600ºC sehr langsam fort. Durch die Behandlung zur Bildung des schützenden Oxidfilms auf der Oberfläche kann die von der restlichen organischen Komponente verursachte Bildung von Aluminiumkarbid verhindert werden und darüberhinaus kann eine Zeitspanne zwischen der Entbinderungsbehandlung und dem Brennprozeß deutlich verkürzt werden. Darüberhinaus kann die Verflüssigungstemperatur und die Nitridierungstemperatur erhöht werden, wenn die mechanische Festigkeit des Oberflächenoxidfilms in geeigneter Weise verbessert wird, so daß der Freiheitsgrad des Prozesses deutlich verbessert werden kann.
  • Im allgemeinen wird der Aluminiumleiter hergestellt, indem Aluminiumpulver zu einer Paste verarbeitet und durch ein Siebdruckverfahren auf eine Platte gedruckt wird. In diesem Fall ist die Korngrößenverteilung des Aluminiumpulvers sehr wichtig, um die Verfahrensbedingungen zu bestimmen. Da feines Aluminiumpulver aus chemischer Sicht instabil ist, wird vorzugsweise eine Korngröße gewählt, die größer ist als die durchschnittliche Korngröße eines metallischen Pulvers, das in einer konventionell als Leiterpaste bekannten Kupferpaste oder Wolframpaste enthalten ist. Wenn die durchschnittliche Korngröße 50 um überschreitet, werden die Druckeigenschaften von Aluminiumpaste deutlich verschlechtert. Daher überschreitet die durchschnittliche Korngröße vorzugsweise wenigstens 50 um nicht. Vorzugsweise beträgt die durchschnittliche Korngröße ungefähr 10 um.
  • Bei dem Aluminiumleiter, der durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt wird, sind Spuren des Eindringens von Aluminium in der Keramik sichtbar. Das Ausmaß des Eindringens von Aluminium variiert in Abhängigkeit der Korngröße von Aluminium, der Entbinderungsbedingungen, der Brennbedingungen und der Art der Keramik.
  • Bezüglich der Art der Keramik können Aluminiumoxidkeramik, bei niedriger Temperatur gebrannte Keramiken, Aluminiumnitridkeramiken und Mullitkeramiken eingesetzt werden, um den Aluminiumleiter herzustellen. Aluminiumnitridkeramiken und Mullitkeramiken weisen eine Tendenz auf, das Eindringen in die Keramik zu erlauben.
  • Der wesentliche Grund wird wie folgt beschrieben:
  • Im Fall von Aluminiumnitridkeramiken ist die Brenntemperatur hoch, so daß der Dampfdruck von Aluminium und die Reaktivität, wie z.B. das Nitridieren bei hoher Temperatur erhöht werden.
  • Eine von den Erfindern durchgeführte Untersuchung ergab das folgende Ergebnis:
  • Der Sinterhilfsstoff setzte sich zusammen aus einer Mischung aus einer chemischen Verbindung der Gruppe IIa und einer chemischen Verbindung der Gruppe IIIa des Periodensystems, wobei das Mischungsverhältnis 1 : 4 Molanteile betrug. Die Heizrate wurde auf 30ºC/Minute erhöht. Die Brenntemperatur betrug 1700ºC. Die Brennzeit war 1 Stunde. Sogar in den unter den oben genannten Bedingungen hergestellten Aluminiumnitridkeramiken war das Ausmaß des Eindringens von Aluminium stärker als in der Aluminiumoxidkeramik, die für 2 Stunden bei 1560ºC gebrannt wurde.
  • Für Mullitkeramiken ist die Brenntemperatur die gleiche wie für Aluminiumoxidkeramik, jedoch ist die Starttemperatur der Flüssigphasenbildung bei Mullitkeramiken höher als bei Aluminiumoxidkeramiken, was als der wesentliche Grund betrachtet wird.
  • Dementsprechend wird angenommen, daß die Eigenschaften von Mullit, wie z.B. die mechanische Festigkeit verschlechtert werden, aber es ist möglich, das Eindringen von Aluminium zu reduzieren, indem die Zusammensetzung und die Menge des Sinterhilfsstoffes verändert werden.
  • In dem durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellten Aluminiumleiter verursacht bei der oben beschriebenen Interaktion zwischen dem geschmolzenen Metall und den Keramiken die Lösung einer Hilfskomponente der Keramik in dem flüssigen Aluminium ein Problem. Diese Neigung hängt von der Konzentration der Hilfskomponente und den Bedingungen des Entbinderns und des Brennens ab. Insbesondere hängt diese Neigung stark von der maximalen Brenntemperatur und der Brennatmosphäre ab. Spezifisch wird in besonders signifikanter Weise die Verteilung von Silizium, das in den in der Aluminiumoxidkeramik ausgebildeten Aluminiumleiter eindringt, beobachtet. In diesem Fall ist die Verteilung von Silizium in dem Aluminiumleiter nicht regelmäßig, sondern Silizium ist lokal verteilt und die Verteilung von Sauerstoff oder Stickstoff stimmt nicht notwendigerweise mit der Verteilung von Silizium überein. Dementsprechend liegt das in das Aluminium eindringende Silizium mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht in der Form eines Oxids oder eines Nitrids vor.
  • Wenn eine Oberfläche des keramischen gesinterten Körpers, der den so erhaltenen inneren Leiter aus Aluminium enthält, geschliffen oder poliert wird, wird ein Abschnitt des inneren Leiters, der in dem gesinterten Körper vorhanden ist, auf der Oberfläche freigelegt. Der innere Leiter umfaßt eine eben verlaufende Leitung und eine Via. In vielen Fällen ist es nur notwendig, eine Endfläche der Via auf der Oberfläche freizulegen.
  • Nacheinander wird ein Oberflächenleiter oder ein padförmiger Oberflächenanschluß gebildet, mit dem der freigelegte Abschnitt des inneren Leiters verbunden wird. Bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leiterplatte ist der Schmelzpunkt des Leiters gering, so daß vorzugsweise ein Dünnfilmverfahren, wie z.B. ein Sputterverfahren eingesetzt wird. Nicht nur Schleifen, sondern auch Schneiden, Ultraschallbearbeiten oder Laserstrahlbearbeiten kann eingesetzt werden, um den inneren Leiter auf der Oberfläche des gesinterten Körpers freizulegen.
  • In Abhängigkeit der Art des Metalls, das durch das Dünnfilmverfahren auf der Endfläche eines inneren Leiters aus Aluminium, wie z.B. einer Via bereitgestellt wird, ist es erforderlich, das Auftreten wechselseitiger Diffusion zu verhindern. Aluminium verursacht unmittelbar keine schädliche Wechselwirkung mit Polyimid. Daher ist es, sogar wenn der Oberflächenleiter aus einem dünnen Aluminiumfilm gebildet ist oder wenn die Via als thermische Via in den Keramiken verwendet wird, nicht notwendig, eine Sperrschicht oder eine Haftschicht auf Aluminium bereitzustellen. Bezüglich dieses Gesichtspunkts sind die Kosten des Aluminiumleiters vorteilhafterweise niedriger als die eines Kupferleiters, der eine Sperrschicht aus Nickel oder Chrom benötigt.
  • Auf diese Weise kann eine keramische Leiterplatte bereitgestellt werden, die einen Oberflächenleiter aufweist, in dem Aluminium als innerer Leiter verwendet wird. Falls notwendig, kann ein äußerer Lot- und Siegelring angebracht werden, so daß eine Baueinheit zur Verwendung in der Halbleitervorrichtung gebildet werden kann.
    • Beispiel 1
  • Fig. 1(a) bis 1(f) zeigen ein Beispiel des Herstellungsverfahrens der keramischen Leiterplatte gemäß der Erfindung. In diesem Beispiel wird Aluminiumoxidkeramik als isolierendes Substrat verwendet.
  • Zuerst wurde Aluminiumoxidpulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von ungefähr 2 um mit Magnesiumoxid (MgO), Siliziumoxid (SiO&sub2;) und Calciumcarbonat (CaCO&sub3;) gemischt. Die daraus erhaltene Aluminiumoxidkeramik mit 92 Gew.-% wurde zu der in Fig. 1(a) gezeigten Grünfolie 10 verarbeitet. Eine große Anzahl von durchgehenden Löchern 12 mit einem Durchmesser von 360 um wurden, wie in Fig. 1(b) gezeigt, in dieser Grünfolie 10 geformt.
  • Anschließend wurde, wie in Fig. 1(c) gezeigt, eine Aluminiumpaste 14 aus Aluminiumpulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 10 um in diese durchgehenden Löcher 12 gefüllt und getrocknet.
  • Anschließend wurden zwei in der oben beschriebenen Weise mit der Aluminiumpaste 14 gefüllte Grünfolien 10 übereinander gestapelt. Weiterhin wurden Grünfolien 10, auf die die Aluminiumpaste 14 nicht gedruckt wurde und in der die durchgehenden Löcher 12 nicht geformt wurden, auf die oberen und die unteren Oberflächen der vorher gestapelten Grünfolien 10 gestapelt. Anschließend wurden die gestapelten Grünfolien wie in Fig. 1(d) gezeigt, bei 60ºC unter einem Druck von ca. 20 MPa (200 Kgf/cm²) thermisch gepreßt und zu einem Körper verbunden. Da die Positionen der in jeder Grünfolie 10 vorhandenen durchgehenden Löcher 12 übereinstimmen, waren die unteren und die oberen Grünfolien 10 mit der Via verbunden.
  • Dieser laminierte Körper der Grünfolien 10 wurde bei 500ºC an der Atmosphäre einer Entbinderungsbehandlung unterzogen. Anschließend wurde der laminierte Körper der Grünfolien 10, wie in Fig. 1(e) gezeigt, bei 1560ºC für zwei Stunden in trockener Stickstoffatmosphäre gebrannt.
  • Die oberen und unteren Oberflächen des so erhaltenen gesinterten Körpers wurden poliert, so daß die Endfläche der Via auf der Oberfläche der Grundplatte freigelegt wurde. Fig. 1(f) ist eine geschnittene Ansicht der nach dem Polieren erhaltenen keramischen Leiterplatte. Die Endfläche der Via wies einen silbernen metallischen Glanz auf, so daß sie als ein verdichteter Körper betrachtet wurde.
  • Gemäß einem Ergebnis der Untersuchung der Zusammensetzung des Viaabschnitts durch EPMA wurde eine sehr geringe Menge von Stickstoff in die Aluminiumvia eingebracht und gleichmäßig verteilt. Auch eine sehr geringe Menge von Sauerstoff wurde gefunden, von der angenommen wurde, daß sie während des Probenherstellungsprozesses, beispielsweise während des Polierens, in die Aluminiumvia eingebracht wurde. Dieser eingebrachte Sauerstoff war gleichmäßig verteilt. Die deutlichste und charakteristichste Beimengung war Silizium. Eine Punkte von Silizium waren lokal verteilt und die Grenzen der Siliziumpunkte waren deutlich. Weitere Beimengungen neben Silizium waren Stickstoff und Sauerstoff, deren Mengen sehr gering und deren Verteilungen gleichmäßig waren. Daher wurde angenommen, daß die Existenz von Siliziumnitrid oder Siliziumoxid nur gering wahrscheinlich war.
    • Vergleichsbeispiel 1
  • Der gleiche laminierte Körper, wie in Fig. 1(d) gezeigt, wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Dieser laminierte Körper wurde unter den gleichen Entbinderungs- und Brennbedingungen behandelt, wie sie für die Herstellung konventioneller Aluminiumoxidkeramiken eingesetzt werden. Die Brennbedingungen werden wie folgt beschrieben:
  • Die Atmosphäre war eine Gasmischung, bestehend aus Ammoniakspaltgas und Stickstoffgas. Der laminierte Körper wurde in der Atmosphäre, die als feuchte Atmosphäre eingestellt wurde, deren Taupunkt 45ºC betrug, auf 800ºC aufgeheizt, so daß die organische Komponente leicht aus dem laminierten Körper entfernt wurde. Anschließend wurde die Atmosphäre als trockene Atmosphäre eingestellt und der laminierte Körper wurde für zwei Stunden bei 1570ºC gebrannt.
  • Die oberen und unteren Oberflächen des so erhaltenen gesinterten Körpers wurden poliert, so daß die Vias auf der Oberfläche des Substrats freigelegt wurden. Eine graue Zone wurde um die Via beobachtet, und Abschnitte mit metallischem Glanz waren auf der Endfläche der Via verstreut. Poren waren in einem Abschnitt der Via vorhanden. Die elektrische Durchgängigkeit wurde mit einem Testgerät überprüft und es wurde herausgefunden, daß die Via nicht elektrisch durchgängig war.
    • Beispiel 2
  • Grünfolien wurden bereitgestellt, indem Aluminiumoxidpulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von ungefähr 2 um mit Borosilicatglaspulver, dessen Volumenanteil bezüglich des Aluminiumoxidpulvers ungefähr 50% betrug, gemischt wurde. Ein laminierter Körper wurde aus den so erhaltenen Grünfolien in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.
  • Nachdem der laminierte Körper bei 500ºC in der Atmosphäre einer Entbinderungsbehandlung unterzogen wurde, wurde er bei 980ºC für zwei Stunden in trockenem Stickstoffgas gebrannt.
  • Der so erhaltene gesinterte Körper wurde poliert, so daß die Endfläche der Via auf der Oberfläche des Substrats freigelegt wurde. Es wurde beobachtet, daß die Endfläche der Via ein dichter Körper mit einem metallischen, silbernen Glanz war.
    • Vergleichsbeispiel 2
  • Ein laminierter Körper, der in der gleichen Weise wie der in Beispiel 2 hergestellt wurde, wurde in der Atmosphäre aus feuchtem Stickstoffgas mit einem Taupunkt von 55ºC auf 700ºC aufgeheizt. Dann wurde die Atmosphäre aus feuchtem Stickstoffgas auf trockenes Stickstoffgas verändert und der laminierte Körper wurde für zwei Stunden bei 980ºC gebrannt. Die oberen und unteren Oberflächen des so erhaltenen gesinterten Körpers wurden poliert, so daß die Via auf der Oberfläche des Substrats freigelegt wurde. Es wurde beobachtet, daß die Endfläche der Via schwarz war und keinen metallischen Glanz hatte. Eine schwarze oder graue Ausdehnungszone um die Via wurde nicht beobachtet. Die elektrische Durchgängigkeit wurde mit einem Testgerät überprüft und es wurde herausgefunden, daß der elektrische Widerstand der Via sehr hoch war.
  • Wie aus der obigen Beschreibung zu verstehen ist, können durch die vorliegende Erfindung die folgenden Effekte realisiert werden. Gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Leiterplatte bereitzustellen, in der Aluminium als Leitermaterial verwendet wird, dessen spezifischer Widerstand gering ist und dessen thermische Leitfähigkeit hoch ist und weiterhin ist es möglich, einen Leiter zu realisieren, dessen Leitungsverlust gering ist oder es ist möglich, eine hocheffizienten thermischen Via zu realisieren. Aluminium wird als Leitermaterial des inneren Leiters verwendet, so daß es möglich ist, die Entbinderungsbehandlung an der Atmosphäre durchzuführen. Dementsprechend können zusätzlich zu den geringen Kosten von Aluminium die Herstellungsprozesse von der Entbinderungsbehandlung bis zum Brennen deutlich reduziert werden, so daß die Herstellungskosten gesenkt werden können.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte mit den Schritten:
Anfertigen einer Mehrzahl von im wesentlichen aus einem keramischen Pulver hergestellten Grünfolien (10);
Bereitstellen eines aus Aluminium bestehenden Leiters (12) in wenigstens einer der Grünfolien (10);
Laminieren und Verbinden der Mehrzahl von Grünfolien (10) zu einem Körper, so daß der Leiter (12) nicht auf einer dessen Oberflächen freiliegt;
Durchführen einer Entbinderungsbehandlung der laminierten Grünfolien (10) an Luft bei einer 500ºC nicht überschreitenden Temperatur;
Brennen der laminierten Grünfolien (10) in trockenem Stickstoffgas bei einer 660ºC nicht unterschreitenden und 1800ºC nicht überschreitenden Temperatur; und
Freilegen eines Abschnitts eines inneren Leiters (12) des durch Brennen erhaltenen, gesinterten Körpers auf der Oberfläche der Leiterplatte.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Komponente des keramischen Pulvers im wesentlichen aus wenigstens einer der Verbindungen Aluminiumoxid, Mullit, Cordierit, Aluminiumnitrid und Siliziumoxid besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Komponente ein Glaspulver umfaßt, das Siliziumoxid enthält.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abschnitt des inneren Leiters (12) freigelegt wird, indem der gesinterte Körper einem Schleifprozeß unterzogen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein mit dem inneren Leiter (12) verbundener Oberflächenleiter durch ein Dickfilm- oder ein Dünnfilmverfahren auf der Oberfläche der Leiterplatte geformt wird, nachdem ein Abschnitt des inneren Leiters (12) auf der Oberfläche der Leiterplatte freigelegt wurde.
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