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Die vorliegende Erfindung wurde mit
Regierungsunterstützung
unter DAAB07-94-C-0009, vergeben vom US Department of the Army,
gemacht. Die Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
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Diese Erfindung bezieht sich auf
leitfähige
Fülltinte
bzw. -paste für
Durchkontaktierungen (Viafüllen) für gemeinsam
gebrannte, keramische, mehrlagige bzw. mehrschichtige Schaltkreisplatinen
mit einem metallischen Trägersubstrat.
Im Besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf verbesserte
Tinten zur Füllung
von Durchgänge
für mehrschichtige
keramische Schaltkreisplatinen auf einem Träger, die Fehler in den Bohrungen
während
des Brennens reduzieren.
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Mehrschichtige keramische Schaltkreisplatinen
wurden viele Jahre hindurch für
Schaltkreise von elektrischen Vorrichtungen wie Mainframe-Computer
verwendet. Solche keramische Schaltkreisplatinen werden durch das
Gießen
von Glas und/oder keramischem Pulver zusammen mit einem organischen
Bindemittel und durch Ausformen in Streifen bzw. Bänder, die
Green Tapes (Grünbänder – ungesinterte
Keramikfolien) genannt werden, hergestellt, auf denen ein metallischer
Schaltkreis ausgebildet werden kann. Bohrungen bzw. Durchgänge werden
in jedem Grünband
gebildet, die mit einem leitfähigen
Material gefüllt
werden, um die Schaltkreise der verschiedenen Schichten elektrisch
zu verbinden. Die Green-Tape-Schichten werden dann ausgerichtet
und gestapelt, zusammengepreßt
und gebrannt, um organische Rückstände wegzubrennen
und das Glas zu sintern, wodurch eine gebrannte, mehrschichtige,
keramische Schaltkreisplatine gebildet wird.
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Ursprüngliche keramische Materialien
wie Aluminiumoxid wurden verwendet, um die Green-Tape-Schichten zu bilden, aber diese
keramischen Materialien erfordern hohe Brenntemperaturen bis zu
1500°C.
Dies erfordert die Verwendung von hitzebeständigen, leitfähigen Metallen
wie Wolfram oder Molybdän,
um die leitfähigen
Schaltkreismuster zu bilden. Diese hitzebeständigen, leittähigen Metalle
können
hohen Brenntemperaturen widerstehen, ohne zu schmelzen. Neuerdings
wurden Materialien, die bei niedrigeren Temperaturen schmelzen,
anstelle von Aluminiumoxid verwendet, wie z. B. Glaskeramik, die
bei Temperaturen von 1000°C
oder niedriger gebrannt werden können.
Mehrschichtige, keramische Schaltkreisplatinen aus diesen Glasmaterialien
können
mit Metallen verwendet werden, die einen niedrigeren Schmelzpunkt
und eine höhere
Leitfähigkeit
haben, wie Silber, Gold oder Kupfer. Diese keramischen Schaltkreisplatinen
haben jedoch den Nachteil, daß sie
nicht so fest bzw. stabil sind wie auf Aluminiumoxid basierende
Schaltkreisplatinen.
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EP-A-0569799 beschreibt leitfähige Durchkontaktierungspasten
für mehrschichtige,
keramische Substrate mit einer nicht-organischen Komponente, die
aus 30–70
Gew.-% eines leitfähigen
Pulvermaterials bestehen, wobei der Rest ein Glaspulver mit einem
Erweichungspunkt, der höher
liegt als der Beginn des Sinterns des isolierenden Materials, oder
ein kristallines Glaskeramikpulver mit einem Glasübergangspunkt
ist, der höher
liegt als der Beginn des Sinterns des isolierenden Materials, und
einer organischen Komponente, die ein organisches Binde- und Lösemittel
enthält.
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In jüngster Zeit wurden mehrschichtige,
keramische Schaltkreisplatinen auf metallische oder keramische Trägersubstrate
gebondet bzw. aufgebracht, die thermisch leitend sind. Das Trägersubstrat,
das aus einem Metall wie Kovar (eingetragene Handelsmarke) oder
Invar (eingetragene Handelsmarke) oder einem Verbundwerkstoff aus
Cu/Kovar/Cu, Cu/Mo/Cu oder Cu/Invar/Cu und ähnlichem, oder aus Keramik
wie Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid und ähnlichem bestehen kann, verleiht
der zusammengesetzten Platine zusätzliche Festigkeit bzw. Stabilität. Es besteht
jedoch ein großes
Ungleichgewicht der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
herkömmlichen
mehrschichtigen, keramischen Substraten und diesen Trägersubstraten. Trägersubstrate,
die zum Beispiel aus Metall hergestellt sind, schrumpfen überhaupt
nicht während
des Brennvorgangs, wohingegen die Green-Tape-Schichten, die verwendet
werden, um das keramische Substrat zu bilden, ungefähr um 20%
in jeder Dimension schrumpfen. Daher wurde ein Verbindungs- bzw.
Bindeglas wie im US-Patent
5.277.724 für
Prabhu beschrieben wurde, verwendet, um das Green-Tape-Laminat an
das Trägersubstrat
zu binden. Darüber
hinaus kann das Bindeglas, wenn es richtig ausgewählt wurde,
das Schrumpfen des Green-Tape-Laminats beim Brennen bezogen auf
das Trägersubstrat
zumindest in den beiden Quer- und Längs-, x und y, Dimensionen
völlig
unterdrücken.
Somit erfolgt das gesamte Schrumpfen nur in der Dicke oder der z-Dimension.
Dies reduziert seinerseits die Probleme bei der Ausrichtung der
Schaltkreismuster in den keramischen Schichten und den Kontakten
und Durchkontaktierungslöchern
in dem Trägersubstrat
nach dem Brennen. Daher wurden mehrschichtige, keramische Substrate,
die an Trägersubstrate
gebondet bzw. gebunden sind, zum Mittel der Wahl.
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Herkömmliche leitfähige Durchkontaktierungstinten
für die
Durchkontaktierungsverbindungen zwischen den mehreren Green-Tape-Schichten
werden durch das Beimischen eines organischen Bindemittels, eines
leitfähigen
Metallpulvers wie Silber, Gold, Kupfer, Legierungen und Gemischen
davon und ähnlichem
mit einem Glaspulver hergestellt, im allgemeinen dasselbe Glas wie
dasjenige, das zur Herstellung des Green-Tape verwendet wird. In
diesem Fall sind die Schrumpfungseigenschaften des Green-Tape und
des Glases in den Durchkontaktierungen ähnlich, und das Glas in dem
Durchkontaktierungsloch und das Glas des Green-Tape sintern einfach
bei ähnlichen
Brenntemperaturen zusammen. Da die Glasarten und die Schrumpfung
sowohl der Green-Tapes als auch der leitfähigen Fülltinten für Durchkontaktierungen ähnlich sind,
sintern das Glas der leitfähigen
Fülltinten
für Durchkontaktierungen
und dasjenige der Green-Tape-Schichten während des Brennschrittes, wobei
sie eine Schnittstelle ohne Lücke
bilden.
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In dem Fall jedoch, in dem ein Trägersubstrat
und eine bindende Glasschicht als Teil der Baugruppe bzw. Packung
verwendet werden, wird die Schrumpfung der Green-Tape-Schichten
in den x- und y- Längs- und
Querrichtungen unterdrückt,
und der größte Teil
der Schrumpfung erfolgt in der z-Richtung oder Dicke. Wir haben
herausgefunden, daß dieses
Schrumpfungsverhalten einen nachteiligen Einfluß auf die Integrität der leitfähigen Durchkontaktierungen
nach dem Brennen der oben genannten Trägerverbundstoff/Mehrschicht-Keramik-Schaltkreisplatinen
hat. Da die Durchkontaktierungslöcher
recht klein sind und das Glas nur einen kleinen Anteil an der gesamten
leitfähigen
Metall-Glas-Zusammensetzung der Fülltinte für Durchkontaktierungen hat,
ist die Menge von Glas in dem Durchkontaktierungsloch klein. Tatsächlich muß dieses
Glas in der Dicke ungefähr
um 50% im Volumen schrumpfen, um dieselben Schrumpfungseigenschaften
wie die des Green-Tape beizubehalten. Da das leitfähige Metallpulver,
das den größten Teil
der Rezeptur der leitfähigen Fülltinte
für Durchkontaktierungen
ausmacht, im allgemeinen vor den Glaskeramik-Green-Tape-Zusammensetzungen
sintert, neigen die Fülltinten
für Durchkontaktierungen
darüber
hinaus dazu, sich während
des Brennens von den Wänden
der Durchkontaktierungen zurückzuziehen.
Dies führt
natürlich
zu Unterbrechungen in den Leiterpfaden an den Schnittpunkten von
Durchkontaktierungen und Schaltkreis und zu nicht hermetisch dichten
Durchkontaktierungen.
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Um dieses Problem zu verringern und
mehr Schrumpfung der Durchkontaktierungsfülltinte während des Sinterns zu erlauben,
wurde der Zusatz von weiterem Glas zu den leitfähigen Fülltinten für Durchkontaktierungen versucht,
aber diese Lösung
führt zu
anderen Problemen wie Unebenheiten bzw. Beulen der Durchkontaktierungen,
Rißbildung
der Glaskeramik um die Durchkontaktierungen beim Abkühlen, Porosität der Durchkontaktierungen
und sogar zu Durchkontaktierungen, die nicht elektrisch leitfähig sind.
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Daher wird eine verbesserte leitfähige Fülltinte
für Durchkontaktierungen
benötigt,
um die oben genannten Probleme zu überwinden und leitfähige Durchkontaktierungen
in keramischen, mehrschichtigen, an Trägersubstrate gebundene Schaltkreisplatinen
zu bilden, die Integrität
und korrekte Schrumpfungseigenschaften aufweisen.
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Wir haben herausgefunden, daß es drei
Kriterien gibt, die für
das verwendete Glas nötig
sind, um leitfähige
Fülltinten
für Durchkontaktierungen
für mehrschichtige,
keramische Schaltkreisplatinen, die an Trägersubstrate gebunden sind,
herzustellen. Die Glasübergangstemperatur
des Glases, das der leitfähigen
Fülltinte für Durchkontaktierungen
beigegeben wird, muß etwas
höher sein
als diejenige des Glases, das verwendet wird, um die Green-Tape-Zusammensetzungen
bzw. -Strukturen herzustellen; das Glas muß eines sein, das vorzugsweise
nicht bei der maximalen Temperatur des Brennens des mehrschichtigen
Stapels kristallisiert; und der Glasgehalt der Fülltinte für die Durchkontaktierungen
muß zwischen
30 und 70 Vol.-% des Glases und des leitfähigen Metallpulvers gehalten
werden. Fülltinten
für Durchkontaktierungen,
die solche Glasarten bzw. -sorten verwenden, werden Durchkontaktierungen
erzeugen, die vollständig
gefüllt
sind, die Schrumpfungseigenschaften ähnlich denjenigen der Green-Tape-Zusammensetzungen
haben und die nicht-poröse Durchgangsfüllungen
bilden.
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Daher liefert die Erfindung in einem
Aspekt ein Zwischenprodukt bzw. einen Vorläufer einer keramischen, mehrschichtigen
Schaltkreisplatine, das eine Mehrzahl von gestapelten Green-Tape-Zusammensetzungen
mit leitenden Metallschaltungen, die darauf gebildet sind, und mit
Durchkontaktierungslöchern
darin umfaßt,
wobei der Stapel auf einem Trägersubstrat
getragen wird und diese Durchkontaktierungslöcher mit einer leitfähigen Tinte
gefüllt
sind, die ein leitfähiges
Metallpulver und ein Glas mit einer Glasübergangstemperatur aufweist,
die höher
ist als bei dem Glas, das für
die Green-Tape-Struktur verwendet wird, aber kleiner ist als die
maximale Brenntemperatur des Green-Tape, dadurch gekennzeichnet, daß dieses
Glas eine Zusammensetzung hat, die aus 20–30 Gew.-% Calciumoxid, aus 15–25 Gew.-%
Aluminiumoxid, aus 45–60
Gew.% Siliziumoxid, bis zu 2 Gew.- Boroxid und bis zu 2 Gew.-% Phosphor-Pentoxid
besteht, und daß diese
leitfähige Tintenzusammensetzung
aus 30–75
Vol.-% dieses Glases und 25–70
Vol.% leitfähigen
Metalls besteht.
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Nach einem anderen Aspekt liefert
die Erfindung eine leitfähige
Tinte zur Füllung
von Durchgängen, die
ein Glas mit einer Zusammensetzung enthält, die aus 20–30 Gew.-%
Calciumoxid, aus 15–25
Gew.-% Aluminiumoxid, aus 45–60
Gew.-% Siliziumoxid, bis zu 2 Gew.-% Boroxid und bis zu 2 Gew.-%
Phosphor-Pentoxid und einem leitfähigen Metallpulver besteht.
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Das Glas, das verwendet wird, um
die leitfähigen
Fülltinten
für Durchkontaktierungen
der Erfindung herzustellen, wird verwendet, wenn der mehrschichtige
Green-Tape-Stapel, in dem die Durchkontaktierungen gebildet werden,
an ein Trägersubstrat
gebunden wird. Solche Kombinationen verändern die allgemeinen Schrumpfungseigenschaften
des Green-Tape, so daß es
während
des Brennens hauptsächlich
nur in der Dicke schrumpft.
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Die Glasübergangstemperatur des Glases,
das verwendet wird, um die leitfähigen
Fülltinten
für Durchkontaktierungen
der Erfindung herzustellen, muß mindestens
etwas höher
sein als die Glasübergangstemperatur
des Glases, das verwendet wird, um das Green-Tape herzustellen,
d. h. ab mindestens etwa 5°C
höher, aber
die Glasübergangstemperatur
muß niedriger
sein als die Maximaltemperatur beim Brennen, die während der
Vorbereitung der keramischen, mehrschichtigen Schaltkreisplatine
auftritt. Wenn zum Beispiel Magnesium-Aluminosilikat-Gläser eingesetzt
werden, um die Green-Tapes herzustellen, ist die Glasübergangstemperatur
ungefähr
850°C und
die verwendete maximale Brenntemperatur ist ungefähr 950°C. Die Menge
an Glas, die eingesetzt wird, um die Leitertinten zum Füllen der
Durchgänge
herzustellen, muß auf
weniger als 75 Vol.-% der leitfähigen
Metall-Glas-Zusammensetzung begrenzt werden, um sicherzustellen,
daß die
Durchkontaktierung elektrisch leitfähig bleibt.
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Das Glas, das zur Herstellung der
leitfähigen
Fülltinten
für Durchkontaktierungen
verwendet wird, muß auch
eines sein, das bei der verwendeten maximalen Brenntemperatur vorzugsweise
nicht kristallisiert. Solch ein Glas wird weich oder fließt sogar
oberhalb seiner Glasübergangstemperatur,
was in dem vorliegenden Fall bedeutet, daß das Glas all die Zwischenräume in den
Durchkontaktierungen füllt
und eine gute Verbindung zu dem Glas in den Wänden der Durchkontaktierungen
herstellt. Wenn das für
die Durchkontaktierung verwendete Glas tatsächlich kristallisiert, sollte
einer solchen Kristallisation eine beträchtliche Menge einer Schrumpfung
durch Sintern vorausgehen.
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Das erste und zweite Kriterium stellen
sicher, daß das
Glas in der Durchkontaktierung gesintert wird, nachdem das Sintern
und das Schrumpfen in dem Green-Tape im wesentlichen geschehen ist.
Daher findet die Schrumpfung in dem Green-Tape, die hauptsächlich in
der z- oder Höhenrichtung
geschieht, statt, bevor das Sintern des Glases in dem Durchkontaktierungsloch
beginnt. Dies reduziert die Tendenz, daß sich die Durchkontaktierungsfülltinte
von den Wänden
des Durchganges zurückzieht,
während
das Sintern der Durchkontaktierungstinte erfolgt. Die Tatsache,
daß das
Glas in dem Durchgang nicht vorzeitig kristallisiert, hat die Wirkung,
daß das
Glas in der Durchkontaktierung weich wird, wenn die Brenntemperatur
ansteigt, und sogar leicht fließt.
Daher erfolgt der größte Teil
der Schrumpfung auch in der Höhenrichtung,
da die Tinte sich nicht seitlich ausbreiten kann, weil das Green-Tape
bereits gesintert wurde. Das leichte Fließen des Durchkontaktie rungsglases
sorgt für
eine gute Bindung zwischen dem Glas der leitfähigen Durchkontaktierungstinte
und dem Glas, das verwendet wird, um das Green-Tape herzustellen.
Wenn ein bei niedriger Temperatur kristallisierendes Glas eingesetzt
würde,
würde ein
solches Weichwerden nicht passieren, sondern es würden hohe Durchkontaktierungsbeulen
auftreten.
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Um die Vorbereitung eines geeigneten
Systems zu veranschaulichen, wurde ein Green-Tape aus einem Magnesium-Aluminosilikat-Glas
hergestellt, das nach dem Brennen in Forsterit-Cordieritartige Kristallphasen
oder andere Magnesium-Silikat-Kristall-Phasen übergeht. Ein geeignetes Glas
hat die folgende Zusammensetzung:
Komponenten-Oxid | Gew.-% |
MgO | 29,0 |
Al2O3 | 22,0 |
SiO2 | 45,0 |
P2O5 | 1,5 |
B2O3 | 1,0 |
ZrO2 | 1,5 |
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Das oben genannte Glas hat, wenn
es erhitzt wird und seine Glasübergangstemperatur
durch Differential-Thermoanalyse (Differential Thermal Analysis,
DTA) bei einer Erhitzungsrate von 10°C/min gemessen wird, eine Glasübergangstemperatur
von 850°C
und eine Kristallisationstemperatur zwischen 925–950°C abhängig von der Partikelgröße des Glases.
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Eine Green-Tape-Zusammensetzung bzw.
-Struktur wurde aus dem oben genannten Glas auf herkömmliche
Weise hergestellt. Green-Tape-Strukturen können durch das Beimischen von
Glaspulver mit einem organischen Hilfsmittel einschließlich eines
Kunstharz-Bindemittels in einem geeigneten Lösungsmittel hergestellt werden.
Geeignete und wohlbekannte oberflächenaktive Stoffe und Plastifizierungsmittel
bzw. Weichmacher werden ebenso hinzugefügt, um einen farbartigen Brei
zu erhalten. Beispiele von geeigneten Kunstharzen schließen Polyvenyl-Butyral,
Zellulose-Derivate wie Äthylzellulose,
synthetische Harze wie Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyester,
Polyolefine und so ähnliche
ein. Beispiele von geeigneten Lösungsmittels
umfassen Methyl-Äthyl-Keton,
Methyl-Isobutyl-Keton,
Toluol und ähnliche.
Die Bindemittel enthalten im allgemeinen von ungefähr 5 bis
ungefähr
25 Gew.-% des Kunstharzbindemittels, obwohl dies angepaßt werden
kann, um die richtigen Fließeigenschaften
der Mischung zu erhalten. Im allgemeinen werden ungefähr 1–3 Prozent
eines Tensids wie ein Oleylamin oder Fischöl eingesetzt. Ein Beispiel
eines geeigneten Weichmachers ist Benzyl-Phthalat. Falls gewünscht, kann
auch ein Viskositätsmodifizierer
wie ein Ölderivat
hinzugefügt
werden. Die Green-Tape-Zusammensetzung bzw. -Struktur enthält im allgemeinen
ab ungefähr
60–75
Gew.-% des Glaspulvers in dem organischen Bindemittel. Eine geringe
Menge eines Füllstoffes
wie Aluminiumoxid oder anderer Keramik kann ebenso hinzugefügt werden.
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Daher wird das oben beschriebene
Glaspulver mit einem Harz wie Polyvenyl-Butyrat und einem Lösungsmittel
wie Methyl-Äthyl-Keton
zusammen mit einer gering(er)en Menge eines Weich machers und eines Tensids
in einer Kugelmühle
mehrere Stunden lang vermischt, um einen Brei zu erhalten, der in
eine Form gegossen oder mit einem Streichblatt auf ein Polyesterband
aufgetragen wird, um eine Green-Tape-Schicht zu bilden, die daraufhin
getrocknet wird. Das Green-Tape wird dann auf eine gewünschte Größe zugeschnitten, und
Durchgangs- bzw. Durchkontaktierungslöcher werden in das Band gestanzt,
wobei die Durchkontaktierungslöcher
einen Durchmesser von zum Beispiel 200 μm (0,008 Zoll) haben. Dickfilm-Schaltkreismuster
werden danach auf herkömmliche
Weise wie durch Siebdruck auf jeder der Green-Tape-Schichten mit
Dickfilmtinten gebildet.
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Die Durchkontaktierungslöcher werden
dann gefüllt,
indem eine leitfähige
Fülltinte
für Durchkontaktierungen
mittels Siebdruckverfahren auf das Band aufgebracht wird.
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Leitertinten zum Füllen der
Durchkontaktierungen werden durch das Beimischen eines leitfähigen Metallpulvers
mit einer Partikelgröße von 3–5 Mikrometer
wie Kupfer, Silber, Gold und Mischungen und Legierungen hieraus
zusammen mit einem Glas bzw. einer Sorte Glas und einem organischen
Bindemittel hergestellt. Im vorliegenden Fall wird das Glas so ausgewählt, daß es die
drei oben diskutierten Kriterien erfüllt. Das organische Hilfsmittel
ist geeigneterweise eine Äthylzellulose
und ein Acrylharz, aber auch andere bekannte organische Materialien
wie Polymethylmethacrylate, Polyester, Polyolefine und ähnliche
können
verwendet werden. Die Viskosität
der Tinte wird mit einem organischen Lösungsmittel ähnlich denen,
die oben für
die Herstellung der Green-Tape-Zusammensetzung
bzw. -Struktur aufgeführt
wurden, eingestellt. Die Tinte wird in einer Drei-Walzen-Mühle gemischt
und durch Siebdruck oder andere wohlbekannte Verfahren auf das Green-Tape aufgebracht.
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Wir haben herausgefunden, daß bestimmte
Glasarten bzw. -sorten in dem CaO-Al2O3-SiO2 ternären System
im Zusammensetzungsbereich von ungefähr 20–30 Gew.-% Calciumoxid, von
ungefähr
15–25 Gew.-%
Aluminiumoxid, von ungefähr
45–60
Gew.-% Siliziumoxid und geringen Mengen von zusätzlichen Metalloxiden für die vorliegende
Anwendung als Durchkontaktierungstinte zur Verwendung mit herkömmlichen Green-Tape-Zusammensetzungen
besonders geeignet sind.
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Wenn diese Calciumoxid-Aluminosilikat-Gläser ungefähr 35–75 Vol.%
des Feststoffes der Durchkontaktierungstinte umfassen, erhält man in
den mehrschichtigen Strukturen Durchgänge, die Durchkontaktierungen
mit minimalen Beulenhöhen
bzw. Überhöhungen (75
Mikrometer) mit passender elektrischer Leitfähigkeit darstellen, Durchkontaktierungen
mit geringer oder keiner Porosität
und mit guter Kontinuität
der Seitenwände mit
der umgebenden, dielektrischen Glaskeramik. Darüber hinaus gibt es eine geringe
oder keine Tendenz zu Brennrissen in dem angrenzenden dielektrischen
Material. Für
die Zwecke dieser Erfindung ist das Festkörpervolumen als das zusammengesetzte
Volumen des leitfähigen
Metallpulvers und des Glaspulvers in einem gegebenen Tintenvolumen
definiert.
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Eine Teil des Glaspulvers in den
oben genannten Durchkontaktierungtinten, bis zu ungefähr 50 Vol.-% des
Glasbestandteils, kann durch inertes Material mit niedriger Ausdehnung
wie geschmolzenes Silizium oder kristallines Cordierit ersetzt werden.
Diese Tinten sind angrenzend an das dielektrische Material der Mehrschicht-Keramik
frei von Brennrissen, aber sie zeigen eine gewisse Porosität, bis zu
10 Vol.-%. Dies kann auf das Absenken der thermischen Ausdehnung
der zusammengesetzten Durchkontaktierungsstruktur zurückzuführen sein,
die sich beim Brennen bildet.
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Das hier als Beispiel gewählte Glas
ist ein Calcium-Aluminosilikat-Glas mit folgender Zusammensetzung:
Komponenten-Oxid | Gew.-% |
CaO | 26,0 |
Al2O3 | 20,0 |
SiO2 | 50,0 |
P2O5 | 1,5 |
ZrO2 | 2,5 |
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Dieses Glas hat eine Glasübergangstemperatur
(Tg) von 905°C.
Dieses Glas hat somit eine höhere Tg
als das Glas, das zur Herstellung des Green-Tape verwendet wurde,
aber die Tg ist niedriger als die maximale Brenntemperatur von 915°C. Darüber hinaus
zeigte das Glas bis zu einer Temperatur von 1000°C keine Tendenz zu kristallisieren,
was durch das Fehlen einer Kristallisationsspitze in einer Differential-Thermoanalyse
bzw. differentiellen Thermoanalyse (DTA) offenkundig wird. Das oben
genannte Glas wurde mit Silberpulver in einem Verhältnis von
35–75
Vol.% von Glas zu Silber gemischt. Ein Harzbindemittel und ein Lösungsmittel machen
den Rest der Tinte aus.
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Diese Durchkontaktierungstinte wurde
per Siebdruck in die Durchkontaktierungslöcher des obengenannten Green-Tape
eingebracht.
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Sechs der bedruckten Green-Tape-Schichten
wurden aufeinander gestapelt, die Durchkontaktierungen aufeinander
ausgerichtet und der Stapel in einer Plattenpresse unter Verwendung
eines Druckes von 1500 psi bei 90°C
zusammengepreßt,
um ein grünes
Laminat zu bilden.
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Das resultierende Laminat wurde auf
einem vorbereiteten Cu/Mo/Cu-Trägersubstrat-Verbundstoff mit einer
darauf befindlichen, bindenden Glasschicht ausgerichtet. Der Verbundstoff
wurde allmählich
auf 915°C erhitzt,
um die organischen Stoffe zu entfernen und das Glas in dem Green-Tape
zu sintern.
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Das gebrannte Keramiksubstrat zeigte
Durchkontaktierungen, die mit der Keramikoberfläche bündig waren, keine Brennrisse
oder andere Integritätsmängel der
Durchkontaktierungen und zeigte keine Porosität. Somit war der Durchgang
vollständig
gefüllt,
und die Probleme mit Brennrissen und Porosität der Durchkontaktierung wurden
bei der vorliegenden Kombination von Green-Tape und leitender Durchkontaktierungstinte vermieden.
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In einem anderen Beispiel wurde eine
Durchkontaktierungstinte, bei der 50 Vol.-% des Glasbestandteils
der Tinte wie oben beschrieben durch geschmolzenes Siliziumdioxid
bzw. Kieselsäure
ersetzt wurde, eingesetzt, um die Durchkontaktierungen zu füllen. Wiederum
hatte das gebrannte Substrat Durchkontaktierungen mit Beulen bzw.
Unebenheiten, die 75 Mikron nicht überstiegen, mit angemessener
elektrischer Leitfähigkeit,
mit gutem Zusammenhang der seitlichen Wände, und es wurden keine Brennrisse
beobachtet. Diese Durchkontaktierungen zeigten ungefähr 5–10% Porosi tät, aber
die Poren waren in der Durchkontaktierungsstruktur isoliert und
beeinträchtigten
nicht die Dichtigkeit der Durchkontaktierungen.
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Zur Kontrolle wurde Silberpulver
mit einem Glas auf Bleibasis in einem Verhältnis von 4 : 1 Gew.-% zusammen
mit Äthylzellulose
und einem Acrylharz in einem geeigneten Lösungsmittel gemischt, um eine
Kontrollzusammensetzung einer Leitertinte zum Füllen der Durchkontaktierungen
zu bilden, die auf die Green-Tapes, wie oben für das Beispiel beschrieben,
durch Siebdruck aufgebracht wurden. Das Glas auf Bleibasis hatte
eine Glasübergangstemperatur
von 525°C,
wie durch eine DTA-Analyse festgestellt wurde, die viel niedriger
war als die Tg des Glases, das zur Herstellung des Green-Tape verwendet
wurde. Die Leitertinte zum Füllen
der Durchkontaktierungen wurde auf die Green-Tapes durch Siebdruck
aufgebracht, sechs der Green-Tapes wurden gestapelt und zusammengepreßt, auf
ein Trägersubstrat
aus Cu/Mo/Cu-Verbundmetall ausgerichtet und auf 915°C erhitzt,
um die organischen Stoffe zu entfernen und das zur Herstellung des Green-Tape
verwendete Glas zu sintern.
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Sämtliche
Durchkontaktierungen wiesen Probleme wie Porosität, Trennung der Durchkontaktierungstinte
von den Wänden
der Durchkontaktierungen, Glasunebenheiten an der Peripherie der
Durchkontaktierungen und so weiter auf, welche die gebrannten Mehrschicht-Schaltkreisplatinen
unbrauchbar machten.
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Bei einer anderen Kontrolle wurde
eine Durchkontaktierungstinte verwendet, die 50 Vol.-% desselben kristallisierenden
Magnesium-Aluminosilikat-Glases wie das zur Herstellung des Green-Tape verwendete enthielt,
um eine Fülltinte
für Durchkontaktierungen
herzustellen. Nach dem Laminieren und Brennen von sechs Schichten
von solchem Green-Tape wurden die Durchkontaktierungen überprüft. Sie
hatten inakzeptabel hohe Unebenheiten der Durchkontaktierungen von
100–120
Mikrometern Höhe
und hatten einen inakzeptabel hohen Grad von Porosität. Es wird
angenommen, daß die
Kristallisation des Glaszusatzes in der Durchkontaktierungstinte
ihre Fähigkeit
reduziert, in dem notwendigen Maße zu schrumpfen oder zu fließen.
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Wenn daher Leitertinten zum Füllen von
Durchgängen
in Übereinstimmung
mit den oben genannte Kriterien hergestellt werden, d. h. das eingesetzte
Glas eine Glasübergangstemperatur
hat, die höher
ist als diejenige des zur Herstellung des Green-Tape verwendeten
Glases, jedoch nicht die eingesetzte Spitzenbrenntemperatur überschreitet,
wobei das Glas vorzugsweise bei der maximalen Brenntemperatur des
Green-Tape nicht kristallisiert, und wenn ein richtiges bzw. passendes
Verhältnis
von Glas und leitfähigem
Metall verwendet wird, tritt die Schrumpfung in den Durchkontaktierungen
nach der Schrumpfung in der Green-Tape-Zusammensetzung auf, wodurch
sichergestellt wird, daß die
Schrumpfung in der Durchkontaktierung auch in der Höhe erfolgt,
die Durchkontaktierung fest bzw. solide gefüllt ist und daß Probleme
mit der Porosität
des Glases und mit Brennrissen des Glases an den Kanten bzw. Rändern der
Durchkontaktierung vermieden werden.
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Obwohl die Erfindung mittels spezieller
Ausführungsformen
beschrieben wurde, kann ein Fachmann auf diesem Gebiet leicht andere
Materialien einschließlich
leitfähiger
Metalle, der ver schiedenen Glasarten bzw. -sorten und Reaktionsbedingungen
anstelle der hier eingesetzten verwenden.