DE69632722T2 - Gasbondierungsanlage für ein Versteifungssubstrat einer keramischen Leiterplatte - Google Patents

Gasbondierungsanlage für ein Versteifungssubstrat einer keramischen Leiterplatte Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung wurde zusammen mit der US-Regierung und durch Unterstützung aufgrund des Kontraktes Nr. DAAB07-94-C-0009, ausgezeichnet durch das US-Armeeministerium. Die Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
  • Diese Erfindung betrifft die Herstellung gemeinsam erhitzter keramischer mehrschichtiger Schaltkreisplatinen hoher Dichte. Spezieller betrifft die Erfindung die Herstellung solcher gemeinsam erhitzter keramischer mehrschichtiger Schaltkreisplatinen, die auf beiden Seiten ein wärmeleitfähiges Trägersubstrat haben.
  • Mehrschichtige, gemeinsam erhitzte keramische Schaltungsplatinen sind wohlbekannt und werden aus einem Stapel von Schichten keramischer dielektrischer Bänder erzeugt, die als grünes Band bekannt sind und bei denen jede Schicht ein gedrucktes Metallmuster aufweist, um einen Schaltkreis zu bilden. Jede der Schichten hat mehrere kleine Löcher oder Durchgänge, die eingestanzt wurden und mit einem leitfähigen Metall gefüllt werden können, so daß die verschiedenen Schichten der gedruckten Schaltung elektrisch einander berühren können. Der grüne Streifen besitzt ein keramisches und/oder Glaspulvergemisch mit einem geeigneten organischen Bindemittel oder Harz, einem Lösungsmittel, einem Weichmacher und einem oberflächenaktiven Mittel. Das Herstellungsverfahren zur Gewinnung gemeinsam erhitzter keramischer mehrschichtiger Schaltkreisplatinen schließt das Stapeln einer Mehrzahl vorfabrizierter Schichten aus grünem Streifen mit darin eingestanzten Löchern und gedruckten Schaltkreismustern ein, indem man eine leitfähige Druckfarbe, d. h. ein Gemisch eines leitfähigen Metallpulvers und eines Glaspulvers in einem Lösungsmittelgemisch zur Füllung der Löcher aufbringt und die Streifenschichten durch Pressen derselben zu einem Stapel zusammen laminiert. Die gestapelten Schichten werden dann bei erhöhten Temperaturen von über 700°C erhitzt. Dieses Erhitzen brennt das organische Material weg und verdichtet das Glas und/oder die Keramik, die zur Herstellung des grünen Streifens verwendet wurden.
  • Da die erhitzten Glas- oder Keramik-Schaltkreisplatinen brüchig sind, können die Schaltkreisplatinen auf einer Seite oder auf beiden Seiten eines geeigneten Trägersubstrats oder Kerns befestigt werden, um der gedruckten Schaltungsplatine zusätzlich mechanische Festigkeit zu verleihen. Im Fall eines doppelseitigen Keramik-auf-Metall-Trägersubstrats können isolierte elektrische Durchführungen in dem in dem Metallkern vorhanden sein, um die Schaltkreiswege in dem mehrschichtigen keramischen Substrat für weitere Steigerung der Leitungsdichte zu berühren.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zur Ausbildung solcher gestützter Mehrschicht-Substrate ist jenes, Mehrschichtlaminate unter Verwendung grüner Streifen und leitfähiger metallhaltiger Druckfarben in herkömmlicher Weise zu bilden, indem man die Laminate auf eine oder auf beide Seiten eines geeigneten vorbereiteten Stützsubstrats aufbringt und die zusammengesetzte Struktur zusammen auf die Temperatur erhitzt, die erforderlich ist, um die organischen Materialien der grünen Streifen und die Leiterdruckfarben zu entfernen, die Glasteilchen der Zusammensetzung des grünen Streifens und die Metallteilchen der Leiterdruckfarben zu sintern oder zu verdichten und die resultierenden mehrschichtigen Keramiksubstrate zum Anhaften auf dem Trägersubstrat zu bringen.
  • Gewöhnlich führen die Entfernung organischer Materialien von den grünen Streifen und ihre anschließende Verdichtung zu einem großen Grad an Volumenschrumpfung an der Keramik, bis zu etwa 20%, in den x-, y- und z-Abmessungen. Da jedoch das Trägersubstrat in den oben beschriebenen unterstützten Platinen für gedruckte Schaltungen nicht irgendeiner Verdichtungsschrumpfung unterliegt, wird die große Schrumpfung der grünen Streifen, besonders in den x- und y-Abmessungen, zu wesentlichen Problemen, wie Nichtanhaften auf dem Trägersubstrat und ernsthafte Fehlausrichtung zwischen den Leitungen in den mehrschichtigen Keramikschichten und den elektrischen Durchführungen auf dem Trägersubstrat, welches sie berühren müssen, führen. So muß ein Verfahren zur Begrenzung der Schrumpfung der Schicht aus grünem Streifen wenigstens in der x- und y-Seitenabmessung vorgesehen werden.
  • Eine Methode zur Beschränkung der seitlichen Schrumpfung des grünen Streifenlaminats, das auf einem Trägersubstrat erhitzt wurde, ist die, eine Bondierschicht zwischen dem Laminat und dem Trägersubstrat vorzusehen, die in der Lage ist, das Laminat an dem Stützträger zum Anhaften zu bringen, bevor die Verdichtungsschrumpfung in dem Laminat anläuft. Eine Glasbondierschicht wurde vorgeschlagen, dies zu erreichen für ein spezielles Set von Metallkern und Keramikzusammensetzung, siehe US-Patent 5, 277,724 von Prabhu. Die Glasbondierschicht muß an dem Trägersubstrat und der Keramik oder dem Glas des Laminats fixiert werden. Darum unterdrückt die Glasbondierschicht, wenn das Laminat von grünem Streifen auf der Bondierglasschicht angeordnet erhitzt wird, die Schrumpfung in den seitlichen Richtungen x und y mit dem Ergebnis, daß fast die gesamte Schrumpfung in den grünen Streifenschichten in der Dicke oder z-Abmessung erfolgt. So bleiben die Leitungswege und Kontakte in dem mehrschichtigen Keramikstapel und in dem Trägersubstrat während des Erhitzens miteinander ausgerichtet. Cherukuri et al., US-Patente 5,256,469, beschreibt Pb-Zn-Ba-Borsilikatgläser als Bondiergläser, die für verschiedene Trägersubstrate und magnesiumhaltige Keramik aus grünem Streifen vom Typ MgO-B2O3-SiO2 geeignet sind. Diese Keramik hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten für die erhitzte Keramik von 90–130 × 10–7/°C.
  • Wenn ein Stapel von grünem Streifen auf beide Seiten eines Keramik- oder Metallträgersubstrats auflaminierf werden soll, um die Dichte der Vorrichtungen auf der Schaltkreisplatine zu erhöhen, wird das Schrumpfungsproblem kritisch. Die mehrschichtigen Schaltkreise auf beiden Seiten des Trägersubstrats, die über Durchgangslöcher in und durch Kontaktpolster auf dem Trägersubstrat müssen ihre Lagegenauigkeit mit diesen Durchgangslöchern und Kontaktpolstern behalten. Da der Keramik- oder Metallträger oder -kern während des Erhitzens nicht merklich schrumpft, kann die Schrumpfungsmenge der Glas-1Keramik-Grünstreifen in den Richtungen x und y nur in der Größenordnung von 1% oder weniger toleriert werden, um die Lagegenauigkeit zwischen den verschiedenen Schichten und den Durchgangsöffnungen in dem Trägersubstrat beizubehalten.
  • So ist es erwünscht, eine Bondierschicht zu bekommen, um eine Glas/Keramik vom Forsterit-Cordierit-Typ auf einem Keramik- oder Metallträgersubstrat, wie einem vernickelten Cu/Mo/Cu (13/74/13)-Substrat oder einem Kovar-Substrat zu binden und dabei eine größere Schrumpfung x-y als 1% zwischen dem Trägersubstrat und der Glas/Keramik während des Sinterns des grünen Streifens bei Temperaturen bis etwa 950°C zu verhindern.
  • Weiterhin beschreibt American Ceramic Society Bulletin, Band 72, Nr. 1, Januar 1993, Seiten 90 bis 95, ein Glas in Form eines grünen Streifens. Es ist jedoch kein Bondierglas und kein Metallsubstrat beschrieben. Dieses Dokument beschreibt einen alternierenden Keramikvorläufer, doch gibt es keine technische Lehre, daß diese Keramik besonders brauchbar zum Bondieren auf einem Metallträgersubstrat noch auf irgendeinem anderen Bondierglas sei.
  • Die US-4,712,161 beschreibt ein Bondierglas zum Anhaften von Kupferfolie an einem Keramiksubstrat, wie Aluminiumoxid, für eine Schaltkreisanordnung. Das Bondierglas ist als Silikat, Borsilikat oder Phosphat und Zink-Borsilikat-Glas beschrieben. Das Dokument offenbart nicht eine mehrschichtige Schaltungsanordnung mit grünem Streifen.
  • Der Bericht der IEE NAECON 1999, 24 bis 28 Mai 1993, Seiten 217 bis 222, beschreibt eine Mehrschicht-Platinentechnologie mit gedruckter Schaltung, wofür die vorliegende Erfindung eine Verbesserung darstellt. In diesem Dokument sind jedoch keine speziellen Zusammensetzungen aufgeführt.
  • Wir haben Bondiergläser identifiziert, die eine Schrumpfung zwischen keramischen oder Metallträgersubstraten und einem darüberliegenden grünen Glas/Keramikstreifen vom Forsterit-Cordierit-Typ während des Erhitzens auf Temperaturen bis zu 950°C in einer Menge von 1% oder verhindern. Geeignete Bondiergläser haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten höher als jener des keramischen oder Metallträgersubstrats, und sie müssen einen hohen Erweichungspunkt haben. Die vorliegenden Gläser haben einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 75–110 × 10–7/°C.
  • Insbesondere können die Glas/Keramiken an ein verkupfertes Metallsubstrat Cu/Mo/Cu gebunden werden, das mit geringer Schrumpfung unter Verwendung eines Bondierglases nach der Erfindung erhitzt werden kann. Das Bondierglas wird im Siebdruckverfahren bildweise auf das Metallsubstrat gedruckt, die mehreren Schichten des grünen Streifens werden mit dem Metallsubstrat so ausgerichtet, daß eine Verbindung zwischen den Schaltkreisen in den Schichten des grünen Streifens und Kontakte oder Durchdringungen des Metallsubstrats erlaubt sind, und erhitzt. Die Bondierglasschicht vermindert die Schrumpfung in den seitlichen x- und y-Richtungen der Schichten des grünen Streifens auf weniger als 1%.
  • Die Lehre der Erfindung ist leicht verständlich, wenn man die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung betrachtet, in welcher 1 eine Querschnittsdarstellung einer elektronischen Packung bedeutet, die die Bondierglasschicht nach der Erfindung verwendet.
  • Um eine sehr geringe Schrumpfung zwischen einem gemeinsam erhitzten keramischen und einem keramischen oder Metallträgersubstrat während des Sinters beizubehalten, ist eine Bondierglasschicht erforderlich, die recht spezifisch für die gemeinsam erhitzte keramische Zusammensetzung des grünen Streifens und für das Trägersubstrat ist. Die Oberfläche des Trägersubstrats, die chemische Zusammensetzung der Keramik, der Erweichungspunkt und die Sintercharakteristiken des keramischen grünen Streifens sowie die Wärmeausdehnungseigenschaften beider, des Materials des Trägersubstrats und der Keramik, müssen in Betracht gezogen werden. Die Bondierglasschicht sollte einen Erweichungspunkt unterhalb etwa 800°C und unter jenem der Glaskeramik des grünen Streifens haben und muß gute Haftung sowohl auf dem Trägersubstrat als auch auf der darüberliegenden grünen Streifenschicht. Das Bondierglas hat eine Sinterungstemperatur von etwa 25 bis 250°C unter jener des Glases, das benutzt wurde, den grünen Streifen herzustellen, um die Schrumpfung der darüberliegenden Keramik während des Erhitzens zu verhindern oder zu beschränken. Das Bondierglas kann einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als jenen der Glaskeramik oder des Trägersubstrats haben.
  • Magnesiumoxid-Aluminosilikat-Gläser werden weitverbreitet für die Herstellung von keramischen Mehrschichtplatinen für gedruckte Schaltungen verwendet. Hohe Festigkeit ist für die vorliegende Anwendung nicht erforderlich, da hohe Festigkeit durch das keramische oder Metallträgersubstrat beigetragen wird. Der Stand der Technik wünschte sich einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zu Silizium paßt, nämlich zu dem Material, das zur Herstellung der meisten derzeitigen Halbleitereinrichtungen verwendet wird. Andere Eigenschaften der Gläser vom Cordierit-Typ sind jedoch hier von Interesse, wie niedriger Verlustfaktor, niedrige dielektrische Konstante usw.
  • Die hier zur Herstellung der Schaltkreisplatinen brauchbaren Gläser sind Magnesiumoxid-Aluminosilikat-Gläser des Forsterit-Kristallphasengebietes, welche einen höheren Wärmeausdeh nungskoeffizienten als Cordierit haben. So haben die Forsterit-Gläser bestimmte Eigenschaften, wie niedrige dielektrische Konstante, niedrigen Verlustfaktor und dergleichen, die hier von Interesse sind, doch besitzen sie einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Silizium hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 22–23 × 10–7/°C, während die vorliegenden Keramik- oder Metallträgersubstrate allgemein einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 45–55 × 10–7/°C besitzen.
  • Das Metallsubstrat, das derzeit bevorzugt als ein Trägersubstrat verwendet wird, ist ein vernickeltes (bis zu einer Dicke von etwa 25 Micron) Kupfer/Molybdän/Kupfer-(13/74/13)-Metallsubstrat, das im Handel bei der Firma Climax Metals Co. erhältlich ist. Andere Substratmaterialien können jedoch auch verwendet werden, wie Kovar, Invar oder Verbundstoffe, wie Cu/W/Cu, Cu/Invar/Cu oder Cu/Kovar/Cu und dergleichen. Keramische Substrate können auch verwendet werden, wie Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid, Diamant und dergleichen, die alle Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit sind. Die Hauptflächen der Metallsubstrate können gereinigt und metallisiert werden, beispielweise mit Nickel, und zwar bis zu einer Dicke von 0,5 bis 25 Micron, indem man herkömmliche Vernickelungstechniken anwendet.
  • Die Zusammensetzungen des grünen Keramikstreifens, die hier von Interesse sind, umfassen insbesondere Gläser des Forsterit-Cordierit-Typs, d. h. Gläser vom MgO-Al2O3-SiO2-Typ, die kleinere Mengen anderer Metalloxide enthalten können. Beispielweise bestehen die Gläser der grünen Streifen zweckmäßig aus folgenden Oxidzusammensetzungen:
  • Figure 00050001
  • Gemische der obigen Gläser in irgendwelchen Mengen können auch verwendet werden. Die obigen Gläser können auch kleinere (weniger als 50 Gew.-%) Mengen anderer Gläser enthalten. Solche Gläser schließen kristallinen Cordierit, bis zu 20 Gew.-%, Bleibisilikat, bis zu 40 Gew.-%, bis zu 25 Gew.-% eines CaO (26,8%)-MgO (4,6%)-ZnO (12,2%)-Al2O3 (15,4%)-SiO2 (41,0%)-Glases oder bis zu 35 Gew.-% eines CaO (8,6%)-ZnO (17,1%)-MgO (20,9%)-Al2O3 (8,9%)-SiO2 (40,5%)-P2O5 (2,0%)-ZrSiO4 (2,0%)-Glases. Andere ähnliche Gläser können auch zugegeben werden.
  • Um eine grüne Streifenzusammensetzung zu bilden, werden die obigen Gläser oder Gemische von Gläsern in der Form eines Pulvers mit einem Weichmacher, einem organischen Bindemittel, einem oberflächenaktiven Mittel und einem Lösungsmittelgemisch vermengt. Geeignete Weichmacher sind beispielsweise ein Gemisch von Alkylbenzylphthalaten und Alkylestern, das im Handel als Santicizer 160 bei der Monsanto Co. erhältlich ist. Geeignete Harzbindemittel sind etwa Butvar B-98, ein Polyvinylbutyral, auch erhältlich bei der Monsanto Co., ein oberflächenaktives Mittel oder flockenverhinderndes Mittel, wie Fischöl-Menhaden und ein Lösungsmittelgemisch einschließlich Methylethylketon, Isopropanol, Toluol, Aceton, Ethylacetat, Ethylalkohol usw. Die Herstellung von Grünstreifenzusammensetzungen aus den obigen Gläsern, Harzen und dergleichen ist üblich, und andere bekannte Materialien können als Ersatz verwendet werden. Ein Schlamm wird von den obigen Bestandteilen gebildet, welche unter Bildung eines gleichmäßigen Schlamms in einer Kugelmühle gemahlten werden. Der Schlamm wird in Streifenform, entweder in einer Form oder mit einem Rakel auf einem Polyesterstreifen gebildet und getrocknet. Der Streifen wird dann im Siebdruckverfahren mit Leiterfarbe unter Bildung des erwünschten Schaltkreismusters bedruckt.
  • Leiterfarben bekommt man durch Vermischen eines leitenden Metallpulvers, wie Gold, Silber, Kupfer und Gemische hiervon, und Legierungen desselben und dergleichen mit einem organischen Vehikel, welches ein Harzbindemittel, ein Lösungsmittel und ein oberflächenaktives Mittel einschließen kann. Diese Zusammensetzungen sind auch bekannt. Durchgänge füllende Farben, die benutzt werden, Wege zwischen den Keramikschichten zu füllen, werden im wesentlichen in der gleichen Weise hergestellt, obwohl sie etwas höhere Mengen an Glaspulvern enthalten können.
  • Die obigen im Siebdruckverfahren bedruckten grünen Streifen werden zweckmäßig auf Temperaturen bis zu etwa 950°C erhitzt.
  • Da die grünen Streifenzusammensetzungen jedoch bis zu etwa 20% in allen Richtungen während dieser Erhitzungsstufe schrumpfen, muß, wenn solche grünen Streifenzusammensetzungen auf Keramik- oder Metallstützsubstraten verwendet werden, besonders auf beiden Seiten des Substrats, eine Bondierglasschicht verwendet werden, um Schrumpfung in den seitlichen Abmessungen x und y so zu steuern oder zu verhindern, daß die gesamten Schaltkreise und Durchdringungslöcher sowie Kontakte ihre Ausrichtung nach dem Erhitzen behalten. Das Vorhandensein des Bondierglases unterdrückt die Schrumpfung in zwei Richtungen und läßt die gesamte Schrumpfung nur in der Dickenrichtung z zu.
  • Die Bondierschicht wird unter Verwendung einer Glanzfarbe im Siebdruckverfahren oder anderweitig auf der vernickelten Oberfläche des Trägersubstrats aufgedruckt, sodann wird auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, die organischen Materialien in der Farbe zu entfernen, und das Glas und andere anorganische Mittel werden verschmolzen, um eine glasierte Stützoberfläche zu erhalten. Die Zusammensetzung der Glasur-Bondierschicht, die spezifisch für besondere Kombinationen von Me tall und keramischen dielektrischen Zusammensetzungen ist, ist kritisch gegenüber der erfolgreichen Herstellung des Verbunds des Trägersubstrats mit der keramischen Vielschichtigkeit, worin die vielschichtige keramische Substratzusammensetzung keiner seitlichen Schrumpfung oder Schrumpfung in der x- und y-Abmessung unter liegt und worin das Trägersubstrat und die keramische Mehrschichtstruktur gut aneinander haften, aber mechanischen und thermischen Spannungen während der Fabrikation, des Zusammenbaus und der Verwendung der Verbundstruktur widerstehen.
  • Wir haben eine Familie von Gläsern gefunden, die die obigen Streifenzusammensetzungen an einen vernickelten Cu/Mo/Cu-, Cu/Kovar/Cu- oder Cu/Invar/Cu-Verbundwerkstoff an Invar- oder Kovar-Trägersubstrate oder -kerne binden und die Schrumpfung des grünen Streifenlaminats auf weniger als 1% vermindern. Weiterhin wurde gefunden, daß diese Gläser entweder allein oder im Gemisch mit Wismuttrioxid zu einem Drittel, bezogen auf das Gewicht des Gemisches, Bondiergläser bilden, die erreichen können, daß die erwünschte Unterdrückung der Schrumpfung der x-, y-Abmessung bei den Grünstreifenlaminaten bei den oben beschriebenen Magnesium-Aluminosilikatgläsern, um unterstützte Verbundmaterialien zu ergeben, die gute mechanische und thermische Einheit bilden.
  • Die Gläserfamilie kann als Zinkboratgläser mit einem Gehalt anderer modifizierender Oxide in kleineren Mengen klassifiziert werden. Der Zusammensetzungsbereich für ein in einer Bondierglasur geeignetes Glas ist in Gewichtsprozenten 45–55% Zinkoxid, ZnO, 30–40% Boroxid, B2O3, 3–7% Calciumoxid, CaO, und 3–7% Aluminiumoxid, Al2O3. Ein besonders brauchbares Glas (Nr. 1) hat die Zusammensetzung 50 Gew.-% ZnO, 39 Gew.-% B2O3, 5 Gew.-% Cao und 6 Gew.-% Al2O3.
  • Ein Wismutoxidflußmittel kann in einer Menge bis zu etwa 30 Gew.-% der obigen Bondierglaszusammensetzung zugegeben werden, wenn dies gewünscht ist. Wismutoxid verbessert den Fluß und die Haftungseigenschaften dieser Gläser.
  • Die Glasbondierschicht wird einen Wärmeausdehnungskoeffizienten größer als jenen des verwendeten Trägersubstrats haben. Die Bondierschicht kann als ein Schlamm auf einer oder auf beiden der Hauptoberflächen des Metallsubstrats aufgebracht werden. Der Schlamm kann durch Siebrucken, Sprühen, Drehbeschichtung, Vorhangbeschichtung, Wirbelschichtbeschichtung, elektroforetische Abscheidung oder andere äquivalente Methoden aufgebracht werden, obwohl Siebdruck die Methode der Wahl ist, wenn man mehrschichtige Schaltkreisplatinen herstellt. Vorzugsweise wird die Bondierglaszusammensetzung auf dem Trägersubstrat aufgebracht und über ihre Fließtemperatur erhitzt, so daß eine dünne, zum Beispiel 10 bis 50 Micron dicke Schicht gleichmäßiger Dicke auf dem Trägersubstrat gebildet wird.
  • Das Bondierglas wird vorzugsweise auf dem Keramik- oder Metallsubstrat mit Standard-Dickfilmfarbe-Siebdruckmethoden aufgebracht. Geeignete Druckfarben können durch Vermischen des Bondierglaspulvers mit einem Harzbindemittel, wie Elvacite 2045, hergestellt bei duPont de Nemours and Company, oder Ethylcellulose, Polyacrylaten, Polymethacrylaten, Polyestern, Polyolefinen und dergleichen, und ein geeignetes Lösungsmittel schießt Kienöl, Terpineol, Butylcarbitolacetat, Texanol®, ein 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiolmonoisobutyrat, das bei der Texas Eastman Company erhältlich ist usw. ein. Das Vehikel enthält allgemein etwa 2 bis etwa 25 Gew.-% des Harzbindemittels.
  • Das Bondierglas kann dann so mit einem Bild versehen werden, daß elektrische Kontakte zwischen den Schaltkreisen auf dem Mehrschicht-Keramiküberschichten zu dem Metallkern und seinen Kontakten und Durchgängen gemacht werden. Das Bondierglas wird nach der Aufbringung auf dem Trägersubstrat durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen etwa 750 und 875°C wieder zum Fließen gebracht, um eine leichte Handhabung des Trägersubstrats zu gestatten und eine gleichmäßig dicke Schicht auf dem Substrat zu bekommen.
  • Eine Mehrschichtkeramik-Schaltungsplatine wird aus dem mit Bondierglas beschichteten Trägersubstrat gemacht, indem man ein vorgeformtes mehrschichtiges Grünstreifenlaminat einschließlich mehrerer gestapelter Schichten einer keramischen Zusammensetzung mit einer gedruckten Schaltung darauf, wie oben beschrieben, ausrichtet, wobei dieser Stapel vorerhitzt worden sein kann, so daß die Durchgänge und gedruckten Schaltungen ausgerichtet werden, und auf eine geeignete Temperatur bis zu etwa 950°C erhitzt. Das Erhitzen kann in Stickstoff oder in Luft erfolgen, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der verschiedenen Schichten und der gedruckten Schaltungen. Die Erhitzungsparameter von Zeit und Temperatur können so eingestellt werden, daß die Kristallinität des Grünstreifenglases gesteuert wird, was seinerseits die Ausdehnung der verschiedenen Schichten steuert.
  • 1 erläutert eine mikroelektronische Packung unter Verwendung der Bondierschicht der vorliegenden Erfindung. Die gemeinsam erhitzte Keramik- oder Metallstruktur 10 umfaßt eine Metallbasis 12 mit ersten und zweiten Hauptoberflächen 14 und 16. Eine Glasbondierschicht 18 nach der Erfindung bedeckt eine oder beide Hauptoberflächen 14 und 16. Ein Mehrfachschichtstapel von laminiertem und Glaskeramik/Füllstoff-Streifen 19 hat Öffnungen 20 darin, um Halbleitereinrichtungen 24 zu plazieren. Die gedruckten Schaltungen und (nicht gezeigten) Durchlässe in dem Glaskeramikstapel 19 bestehen aus leitfähigem Metallpulver, wie Kupfer, Silber, Silber/Palladium-Legierung, Gold, Legierungen hiervon und dergleichen.
  • Nach dem gemeinsamen Erhitzen werden die Bondierglas-Substratkerne zu den keramischen gestapelten Halbleitereinrichtungen 24 überführt, die auf dem Substrat durch Drahtverbindungen 28 oder andere Einrichtungen, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, elektrisch mit dem Stapel gedruckter Schaltungen zu den Halbleitereinrichtungen verbunden. Die Chips werden dann entweder durch Anlöten von Metalldeckeln (nicht gezeigt) an dem Substrat oder durch entbehrliches organisches Einkapseln (nicht gezeigt) auf dem Chip, verbunden.
  • Beispiel 1
  • Ein vernickelter Cu/Mo/Cu-(14/62/14)-Träger von 0,5 mm (0,020 Inch) Dicke wurde durch Siebdruck hergestellt, indem eine gemusterte Schicht, die ein Gemisch von pulverisiertem Bondierglas Nr. 1 und Wismutoxid in einem Gewichtsverhältnis von 3 : 1 enthielt, und anschließend durch Erhitzen auf 850°C in einem Ofen gebracht wurde, um Rückfluß und Verschmelzen der Bondierglasschicht auf dem Substrat zu erreichen.
  • Sechs Schichten von Grünstreifen, hergestellt unter Verwendung des oben beschriebenen Forsterit-Cordierit-Glases. hatten jeweils Grünstreifen mit einem sehr dicken gedruckten Dickenfilm mit Schaltkreisaufdruckung, hergestellt aus Silberfarben und Ausstanzen von Durchgangslöchern, die mit geeigneten silberhaltigen Durchgangslochfarben gefüllt waren, wurden zusammen ausgerichtet und bei einem Druck von 10 Mpa (1500 psi) bei 90°C laminiert.
  • Das grüne Laminat wurde dann auf die glasierte Oberfläche des Stützsubstrats gepreßt, und die Anordnung wurde in einem Ofen auf eine Spitzentemperatur von 900°C erhitzt. Ein gesintertes Glaskeramik-Mehrschichtsubstrat, das in das Cu/Mo/Cu-Trägersubstrat integriert war, wurde erhalten.
  • Das gebrannte Keramiklaminat erwies sich als gut anhaftend an dem Trägersubstrat und hatte keine x-, y-Schrumpfungsprobleme während des obigen Erhitzens, und alle Erhitzungsschrumpfungen erfolgten in der z-Richtung.
  • Beispiel 2
  • Sechs Schichten von Grünstreifen, der unter Verwendung eines anderen dielektrischen Glases mit einer Zusammensetzung in Gewichtsprozenten von Magnesiumoxid, 32,5%, Bariumoxid 17%, Aluminiumoxid, 7%, Siliciumoxid, 24%, Boroxid, 16%, Zirkondioxid, 2,5% und Phosphorpentoxid, 1%, wurde jeweils durch Siebdruck mit dickem Film bedruckt und aus Silberfarben darauf gebildet wurde. Gestanzte Durchgangslöcher füllten sich mit einer geeigneten silberhaltigen Durchgangsfarbe, wurden zusammen ausgerichtet und bei einem Druck von 10 Mpa (1500 psi) bei 90°C laminiert wurde.
  • Getrennt wurde ein Trägersubstrat von Kovar, 0,5 mm (0,020 Inch) Dicke durch Siebdruck auf einer mit Muster versehenen Schicht einer Bondierglasurfarbe mit einem Gehalt an Glas Nr. 1, gefolgt von Erhitzen auf 850°C in Luft unter Rückfluß und Verschmelzen der Bondierglasschicht mit dem Substrat, hergestellt. Das grüne Laminat, wie oben, wurde dann auf dem Substrat an die Glasschicht bindend aufgebracht. Das grüne Laminat wurde dann wie oben auf die glasierte Oberfläche des Trägersubstrats aufgepreßt, und die Anordnung wurde in Luft auf eine Spitzentemperatur von 900°C erhitzt.
  • Ein gesintertes Glaskeramik-Mehrschichtsubstrat, integral gebunden an das Kovar-Trägersubstrat, wurde erhalten.
  • Das grüne Streifenlaminat erwies sich als gut haftend an dem Kovar-Trägersubstrat und wurde nicht einer x-, y-Schrumpfung während der Erhitzungsstufe unterzogen. Somit erfolgte die gesamte Erhitzungsschrumpfung in der z-Richtung.
  • Obwohl die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, kann ein Fachmann leicht die Harze und Materialien, die zur Herstellung des grünen Streifens und der Leiterfarbe benutzt wurden, durch andere ersetzen, wobei andere Metallsubstrate und andere Bondiergläser die oben aufgeführten Kriterien zu erfüllen haben. So bedeutet die Erfindung lediglich, daß sie durch die beiliegenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung einer keramischen mehrschichtigen Schaltkreisplatine (10) mit einem Stapel aus Gläsern vom Forsterit-Cordierit-Typ hergestellten Keramikschichten mit einer Schaltung darauf sowie mit einem vernickelten Keramik-, Metall- oder Metallegierungsträgersubstrat (12), bei dem man ein Bondierglas (18) auf einer Oberfläche des Substrats (12) ablagert, das Bondierglas (18) derart mit Muster versieht, daß elektrische Kontakte zwischen den Schaltkreisen auf den mehrfachen keramischen Schichten zu Kontakten und zu in dem Substratträger (12) erzeugten Durchgangslöcher hergestellt werden können, das mit Bondierglas beschichtete Trägersubstrat und den grünen mehrschichtigen Bandstapel (19) so ausrichtet, daß ein Kontakt zwischen Kontakten oder Durchgangsleitungen auf dem Trägersubstrat und der Schaltung in dem grünen Bandstapel erzeugt werden kann, und das ausgerichtete beschichtete Substrat und den grünen Bandstapel auf eine solche Temperatur erhitzt, daß der grüne Bandstapel an das Trägersubstrat gebunden wird und aus den Gläsern vom Forsterit-Cordierit-Typ eine Keramik gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Bondierglas ein Oxidgemisch von Calcium-, Zink- oder Boroxiden mit einer Sintertemperatur von 25 bis 250°C unter jener der Gläser des Forsterit-Cordierit-Typs umfaßt, so daß das erhitzte, mit Bondierglas beschichtete Trägersubstrat die Schrumpfung in den zeitlichen Abmessungen x und y der keramischen mehrschichtigen Schaltkreisplatine auf nicht mehr als 1% begrenzt und das Bondierglas die folgenden Bestandteile umfaßt: 45–55 Gew.-% Zinkoxid, 30–40 Gew.-% Boroxid, 3–7 Gew.-% Calciumoxid und 3–7 Gew.-% Aluminiumoxid, worin die Mengen der Bestandteile bis zu 100 Gew.-% hinzufügen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Trägersubstrat mit der Bondierglasschicht darauf auf eine Temperatur oberhalb der Fließtemperatur des Bondierglases vor der Ausrichtung mit den grünen Bandlagen erhitzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Trägersubstrat ein vernickeltes Material ist, das aus der Gruppe besteht, die eine Kovar-Plattierung, eine Invar-Plattierung und Verbundplattierungen aus der Gruppe Cu/Mo/Cu, Cu/Invar/Cu und Cu/Kovar/Cu besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, bei dem das Bondierglas auf beiden Oberflächen des Substrats abgeschieden wird, wobei ein grüner Bandstapel auf beiden Seiten des Trägersubstrats ausgerichtet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Bondierglas 50 Gew.-% Zinkoxid, 39 Gew.-% Boroxid, 5 Gew.-% Calciumoxid und 6 Gew.-% Aluminiumoxid umfaßt.
  6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem Wismutoxid zu dem Bondierglas in einer Menge bis zu 30 Gew.-% des Bondierglases zugegeben wird.
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