DE69725678T2

DE69725678T2 - Verwendungsmethode eines permanenten z-Achse-Materials

Info

Publication number: DE69725678T2
Application number: DE69725678T
Authority: DE
Inventors: John J. Eau Claire Budnaitis; Jimmy Eau Claire Leong
Original assignee: WL Gore and Associates Inc
Current assignee: WL Gore and Associates Inc
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2017-11-06
Also published as: EP0841697B1; EP0841697A2; DE69725678D1; EP0841697A3; KR19980042136A; ES2207708T3; JPH10247707A; US5966593A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Waferebenen-Kontaktflachstücks.
Halbleiter-Hersteller, die integrierte Schaltungschips herstellen, beginnen mit der Herstellung von Halbleiterwafern. Jeder Wafer hat typischerweise einen Durchmesser von 100 mm, 125 mm, 150 mm, 200 mm oder 300 mm und enthält in sich zwischen einem und mehreren Tausend Chips oder Plättchen. Ist die Herstellung des Wafers abgeschlossen, so werden die Chips oder Plättchen aus dem Wafer ausgeschnitten oder "gewürfelt" und können später in Einzelchip- oder Mehrfachchip-Gehäuse eingebracht werden, um in gedruckte Schaltungsplatinen oder andere Geräte eingebaut zu werden.
Ist die Herstellung eines Wafers abgeschlossen, so ist es üblich, jeden auf dem Wafer befindlichen Chip zu testen, um festzustellen, ob jeder Chip nach der Herstellung elektrischen Entwurfskriterien entspricht, Leistungskriterien des Systems erfüllt, für die der Chip implementiert ist, und zuverlässig arbeitet. Fällt ein Chip bei der elektrischen Prüfung oder der Zuverlässigkeitsprüfung durch, eignet er sich nicht zum Einbau in ein System, ohne daß der Chip repariert wird oder in den Chip eingebaute redundante Merkmale zur Anwendung gebracht sind. Mit Hilfe einer Leistungsprüfung von Chips lassen sich Chips in verschiedene Kategorien einstufen, die sich für unterschiedliche Anwendungen und für den Verkauf zu unterschiedlichen Preisen eignen.
Die Zuverlässigkeitsprüfung soll solche Chips aussondern, die eine unerwünscht kurze Lebensdauer erwarten lassen. Typischerweise fällt ein signifi kanter Prozentsatz einer Gruppe von Chips in deren früher Lebenszeit aufgrund marginaler Bedingungen während der Fertigung aus.
Später fällt nur ein sehr geringer Prozentsatz der Gruppe während einer längeren Zeitspanne der im Gebrauch befindlichen Chips aus. Eine Zuverlässigkeits-Reihenuntersuchung von Halbleiterchips erfolgt typischerweise mit Hilfe eines Verfahrens, bei dem Testsignalmuster an zu prüfende Chips angelegt werden, um wiederholt sämtliche Bauelemente und Verdrahtungen an einem Chip anzuregen, wobei dieser Vorgang typischerweise bei erhöhten Temperaturen abläuft, um auf diese Weise die ersten sechs Betriebsmonate zu simulieren. Diese Reihenuntersuchungsprozedur ist unter dem Begriff "Burn-In" bekannt.
Das Burning-In von Chips neigt dazu, beschleunigte Ausfälle zu provozieren. Zwei Beispiele für derartige Fehler sind durch Kontaminierung an Grenzflächen, Gattern und Übergängen hervorgerufene Fehler und während der Fertigung schlecht ausgebildete Metallverdrahtungen, die als verengte Einschnürungen bis hin zu dünnen Zonen in Erscheinung treten können, die nur 50% der im Entwurf vorgesehenen Breite aufweisen, die je nach Technologie und Zeit schwankt, derzeit aber 0,35 μm beträgt. Das in diesen Einschnürzonen vorhandene Metall neigt dazu, in Richtung des elektrischen Stromflusses zu driften, bedingt durch einen als Elektromigration bekannten Mechanismus, wobei die Driftgeschwindigkeit direkt proportional zur Stromdichte ist und durch erhöhte Temperatur noch beschleunigt wird. Bei ausreichender Elektromigration kommt es zu einer Strompfadunterbrechung in der Einschnürzone des Metalls und in der Folge zu einem logischen Fehler des Chips bei einigen Prüfsignalmustern. Gateoxid-Zonen, in denen mittels FET-Transistortechnologie Transistoren gebildet sind, sind ebenfalls eine häufige Quelle für Zuverlässigkeitsstörungen. Die Dicke einer Gateoxid-Zone eines Transistors muß innerhalb von engen Toleranzen beherrscht werden. Wenn die Gateoxid-Zone von einem oder mehreren Transistoren auf einem Chip sich nach der Herstellung als zu dünn erweist, kann das Gateoxid aufgrund starker elektrischer Felder innerhalb des Transistors durchbrechen, wenn Prüfmuster an den Chip angelegt werden. Bei einem Ausfall signalisiert die Ausgangsgröße aufgrund der Testmuster einen Fehler.
Obschon von hohem Wert, ist das Burn-In-Verfahren historisch gesehen für die Halbleiterhersteller zeitraubend und teuer. Existierende Burn-In-Verfahren werden typischerweise bei integrierten Schaltungen in Temperaturbereichen zwischen 90°C bis 125°C und in einem Zeitraum zwischen 24 und 168 Stunden durchgeführt. Es ist klar, daß diese geringe Geschwindigkeit bei der Zuverlässigkeitsprüfung einer Massenfertigung von funktionstüchtigen Halbleiterbauelementen entgegensteht und eine beträchtliche Kostensteigerung bedeutet.
Zahlreiche Hersteller haben versucht, dem geringen Durchsatz der bekannten Burn-In-Verfahren dadurch zu begegnen, daß sie Burn-In-Platinen hergestellt haben, auf denen zahlreiche vereinzelte Chips in Chipgehäusen plaziert werden, die dann in Fassungen auf den Burn-In-Platinen eingesetzt wurden. Danach wird jeder Chip auf der Prüfplatine gleichzeitig mit Testmustern unter erhöhten Temperaturen beaufschlagt. Auf diese Weise werden mit einem Schlag mehrere Chips einem Burn-In unterzogen. Diese Systeme verringern in wirksamer Weise die Zeit für den Burn-In bei einer großen Menge Chips. Allerdings stellen die zusätzlichen Kosten für defekte oder unzuverlässige Gehäuse einen signifikanten Nachteil dieser bekannten Burn-In-Verfahren dar.
Das Burn-In des blanken Plättchens (Bare Die Burn-In; BDBI) ist erforderlich, um für Mehrfachchipmodule (MCMs) und andere Anwendungen mit unbestücktem Plättchen bekannte gute Plättchen oder Chips (Known Good Die; KGD) zu erhalten, beispielsweise für platineneigene Chips (Chip-On-Board; COB). Ohne das Burn-In der blanken Plättchen ist die Ausbeute von MCMs (und anderen Anwendungen mit blanken Chips) schwer beeinträchtigt, was zu höheren Produktkosten führt. Das derzeitige BDBI wird von dem Produkt "Die Mate"^® der Firma Texas Instruments typifiziert, bei dem ein blankes Plättchen auf einem Zwischengehäuse angeordnet wird und dann der Burn-In-Test durchgeführt wird. Die erforderlichen Schritte zum Ausrichten und zur Handhabung bei dieser Prozedur erhöhen die Kosten, die Komplexität des Verfahrens und den Zeitraum bis zum Erhalten von blanken Chips, die zuverlässig oder "bekanntermaßen gut" sind.
Eine weitere Methode zur Verbesserung des Durchsatzes des Burn-In-Verfahrens besteht darin, vollständige oder Teile von vollständigen Wafern dem Burn-In zu unterziehen, die nicht zerteilte integrierte Schaltungen oder Chips enthalten. Dieses Verfahren ist als Burn-In auf Waferebene (WLBI) bekannt. Bei dem Burn-In auf Waferebene werden elektrische Anschlüsse von einer Prüfvorrichtung in innige Berührung mit Kontakt-Pads auf einem oder mehreren Chips gebracht. Deshalb ist das Verfahren weniger zerstörend als das Anlöten von Chips in einer Burn-In-Platine. Allerdings gibt es Probleme mit der Ebenheit der elektrischen Anschlüsse der Prüfvorrichtung und mit der Fehlanpassung zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Prüfapparatur und dem geprüften Wafer.
Diesen Problemen wurde bislang mit verschiedenen Methoden zu Leibe gerückt. Beispielsweise verwendet die Industrie einen als CIC bekannten Werkstoff, bei dem es sich um ein bei hohem Druck und hoher Temperatur gebildetes Kupferlaminat auf der Außenseite eines innen befindlichen Flachstücks aus INVAR handelt. Einer der Nachteile dieses Werkstoffs besteht darin, daß die maximale Dicke, die die Flachstücke aufweisen können, 1,58 mm (62 mil) beträgt. Ein zweiter Nachteil besteht darin, daß CIC bei seiner Herstellung auf eine große Spule aufgerollt wird. Hierdurch hat der Werkstoff außerhalb der Spule einerseits und im Inneren der Spule andererseits eine unterschiedliche plasti sche Verformung und dementsprechend einen unterschiedlichen Krümmungsradius.
Ein weiterer Nachteil des gewalzten CIC besteht darin, daß zur Erzielung einer gewünschten Dicke und Ebenheit vier CIC-Stücke miteinander laminiert werden müssen. Eine gerade Anzahl von CIC-Schichten ist deshalb notwendig, weil sich zwei Schichten möglicherweise nach unten biegen und eine Schicht sich nach oben biegt. Dies führt zu einem Ungleichgewicht in der einen oder der anderen Richtung. Folglich muß die Anzahl von CIC-Flachstücken eine gerade Zahl sein, also 2, 4 oder 6. Der Nachteil derart vieler CIC-Flachstücke besteht darin, daß wegen der sehr großen Dichte von CIC das Gewicht um so größer wird, je dicker das Teil ist.
Ein weiterer Nachteil des CIC-Systems besteht darin, daß im Zuge der Herstellung ein einzelnes Kupferstück auf beiden Seiten des aus INVAR-36 bestehenden Materials durch einen Walzensatz beim Laminieren hindurchläuft. Die Dicke des oben und des unten befindlichen Kupfers ändert sich. Als Ergebnis der verschiedenen Dicken kommt es zu einer Spannungsdifferenz-Verziehung von oben nach unten, was bei Wärmelastwechseln äußerst abträglich ist. Die Dicke des CIC-Material kann sich auch im Zuge des Verfahrens ändern. Man kann das CIC-Material nicht spanend auf eine gleichmäßige Dicke bringen, weil man dann von der einen Seite mehr abspanen müßte als auf der anderen.
Ein weiterer Nachteil des CIC-Systems besteht darin, daß das Material mit dem größten Wärmeausdehnungskoeffizienten, hier das Kupfermaterial, auf der Außenseite liegt. Damit wird höhere Spannung in dem CIC-Werkstück erzeugt.
Eine Methode, die zum Kontaktieren eines Wafers eingesetzt wird, macht von elektrischen Anschlüssen, beispielsweise S-förmigen Sonden oder Pogo^®-Stiften Gebrauch. Bei S-förmigen biegbaren Drahtsonden wird die Testapparatur in die Nähe des Wafers gebracht, und die S-förmigen Sonden werden rückwärts gegen die Testapparatur gedrückt. Die Höhe der Testapparatur oberhalb des Wafers kann dann variiert werden, um eine Kontaktgabe zwischen jeder der S-förmigen Sonden einerseits und den Kontakt-Pads auf den Chips des Wafers andererseits zu garantieren, ungeachtet einer mangelnden Ebenheit der Testapparatur und/oder des Wafers. Allerdings lassen sich die S-förmigen Sonden nur schwierig mit den Kontakt-Pads der Chips des Wafers ausrichten, bedingt durch ein Schwanken der Verlagerung in X- und Y-Richtung sowie auch bei Druck in Z-Richtung. Außerdem kann die Anzahl von verwendeten Stiften in der Größenordnung von 20.000 bis 40.000 oder darüber liegen, abhängig von der Anzahl von Chips pro Wafer und Kontakten pro Chip, was die Wahrscheinlichkeit einer nicht zustande gekommenen Ausrichtung oder fehlausgerichteter Stifte erhöht.
Pogo^®-Stifte leiden unter ähnlichen Nachteilen wie die S-förmigen Sonden. Obschon Pogo^®-Stifte komprimierbar sind und daher in einem gewissen Maß Ebenheits-Unterschiede zwischen dem Burn-In-Substrat und dem zu prüfenden Wafer ausgleichen, gibt es bei Pogo^®-Stiften Ausrichtungsschwierigkeiten deshalb, weil diese Stifte in eine Spannvorrichtung eingebracht werden müssen, um sie an Ort und Stelle zu halten. Aufgrund üblicher Toleranzen haben die mechanischen Werkzeuge möglicherweise Löcher an etwas voneinander verschiedenen Stellen.
Eine weitere Methode für das Burn-In auf Waferebene ist in dem US-Patent 5 541 524 von Tuckerman et al. beschrieben. Offenbart ist dort ein Verfahren zum Erzeugen eines Burn-In-Substrats mit geprägten metallischen Kontakt-Pads. Auf der Oberseite der Prägungen werden später Lotstücke gebildet, die dann während der Burn-In-Prüfung mit den Chip-Pads in Berührung gebracht werden. Die Lotstücke sind möglicherweise nicht richtig planar, sie müssen sich bei Kontaktgabe mit den Chip-Pads verformen. Um also einen Kontakt zwi schen sämtlichen Lotstücken und den Chip-Pads zu erreichen, müssen Druckkräfte aufgebracht werden, was möglicherweise einen Teil der Chip-Pads beschädigt. Außerdem müssen die Lotstücke periodisch nachgearbeitet werden, indem sie zu einer Halbkugelform zurückgeschmolzen werden, um die Integrität des Burn-In zu garantieren. Dies läßt sich allerdings nur zum Prüfen von Wafers bewerkstelligen, die kleiner als die Apparatur sind. Derzeit kann dieses System nur Wafer der Größe 150 mm prüfen, wenn die Apparatur für einen 200 mm-Wafer ausgelegt ist, was also keine Lösung zur Prüfung von 200-mm-Wafern ist.
Eine weitere Methode für das Burn-In auf Waferebene ist in dem US-Patent 4 968 931 von Littlebury et al. beschrieben. Dort wird eine flexible Membransonde mit einer Mehrzahl von Kontakt-Pads gegen einen Wafer gedrückt, der integrierte Schaltungen mit passenden Chip-Pads aufweist. Eine aufblasbare Blase wird hinter der flexiblen Membransonde angeordnet, um die Kontakt-Pads der Sonde in Berührung mit den Chip-Kontakt-Pads zu bringen. Allerdings kann die Blase nur grobe Unebenheiten ausgleichen. Wird die Blase aufgeblasen, streckt sich die Membran, wobei die Kontaktpunkte bewegt werden. Ein Ausrichten ist also schwierig. Außerdem läßt sich nur eine begrenzte Anzahl von Bahnen implementieren, über die Signale von dem Wafer zur Testelektronik gelangen können, was die Komplexität des Systems stark beschränkt. Darüber hinaus besitzt das System einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was zu Lageänderungen während der Wärmealterung führt. Zwischenverbindungen mit Hilfe von in Richtung der Z-Achse selektiv leitendem Material sind in dem US-Patent 5 498 467 offenbart.
Es besteht also Bedarf an der Schaffung einer Burn-In-Vorrichtung auf Waferebene, die in hohem Maße planar und konform ist, gleichzeitig jedoch die bauliche Integrität der Kontakte der Vorrichtung zur Kontaktierung von Chip-Pads an einem Wafer beibehält. Außerdem besteht Bedarf an einem Burn-In- System, welches den Lötmaterial-Reflow oder das Reinigen erübrigt. Es besteht ferner Bedarf an der Schaffung einer Burn-In-Vorrichtung mit Kontakten, beispielsweise in Form von Erhebungen, die gleichmäßig konfiguriert und präzise angeordnet sind, und dies mit einem hohen Maß an Strukturintegrität zwecks Kopplung der Kontakte eines Wafers oder einer Platine während des Tests. Außerdem herrscht Bedarf an der Schaffung einer Burn-In-Vorrichtung mit einer Basis, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, angepaßt an den zu prüfenden Wafer und im Stande, in erfolgreicher Weise Wafers mit großem Durchmesser bei erhöhten Temperaturen bis zu 150°C und bis zu 200°C einem Burn-In zu unterziehen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines wiederverwendbaren, in Richtung der Z-Achse laminierten Waferebenen-Kontaktflachstücks.
Das Burn-In-Substrat und das Waferebenen-KontaktFlachstück sind elektrisch miteinander über die unregelmäßig geformten leitenden Z-Achsen-Pfade gekoppelt, die sich durch die Dicke des zwischen ihnen liegenden nachgiebigen Elements. Die Z-Achsen-Pfade sind voneinander elektrisch in X- und Y-Richtungen isoliert.
Ein Testsignal von dem Burn-In-Substrat wird durch Erhebungen an der Unterseite des Waferebenen-Kontaktflachstücks (im folgenden einfach als Kontaktstück bezeichnet), die ausgerichtet sind und in Kontakt stehen mit dem untersuchten Bauelement, zu dem geprüften Bauelement geleitet. Jede Erhebung besitzt an ihrem oberen Ende ein 0,10 bis 0,20 mm (4 bis 8 mil) großes Pad und läuft in eine Spitze aus, die eine im wesentlichen ebene Gestalt hat, und besitzt einen Oberflächendurchmesser in der Größenordnung von 0,25 mil und 2 mil (etwa 8 μm bis 50 μm), vorzugsweise 0,5 mil bis 2 mil (etwa 12 μm bis 50 μm).
Damit liegt das Verhältnis der Abmessung des Pads zu der Abmessung der Spitze zwischen 2 : 1 bis 32 : 1, vorzugsweise zwischen 4 : 1 und 32 : 1.
Das Kontaktstück besitzt eine Oberseite und eine Unterseite und enthält mehrere gleichförmig gestaltete leitende Erhebungen auf der Unterseite, ausrichtbar mit und entsprechend den Kontakt-Pads einer integrierten Schaltung oder eines anderen elektronischen Bauelements. Die geometrische Konfiguration der Erhebungsspitze reicht aus, um eine Oxidschicht zu durchbohren, die an dem Kontakt-Pad der Halbleiterkomponente vorhanden ist. Das laminierte Kontaktstück enthält weiterhin mehrere Kontakt-Pads auf seiner Oberseite, jedes individuell elektrisch verbunden mit einer zugehörigen leitenden Erhebung über eine offenzellige poröse Schicht, die in Richtung der Z-Achse selektive Leitfähigkeit besitzt.
Die Basiseinheit besitzt an einem oberen Teil Ausgleichsschichten und am unteren Teil eine Schaltkreisschicht. Die Basiseinheit besitzt einen Planaritätsoder Ebenheitsgrad, der kleiner als 0,833 mm pro linearem Meter (0,01 Zoll pro linearem Fuß), vorzugsweise 0,0833 mm pro linearem Meter (0,001 Zoll pro linearem Fuß) beträgt. Die Ausgleichsschicht kann "Dummy"-Schichten besitzen, um Schaltkreisschichten zu verlagern und auszugleichen. Mehrere erste und zweite Anschlüsse bilden einen Teil der Schaltkreisschicht, wobei die ersten Anschlüsse mit einem nachgiebigen, selektiv leitenden Z-Achsen-Element gekoppelt sind, welches optional ein Elastomer enthält. Die zweiten Anschlüsse sind mit einem Testsignalgenerator und den ersten Anschlüssen verbindbar.
Das selektiv in Richtung der Z-Achse leitende nachgiebige Element befindet sich zwischen der Unterseite der Basiseinheit und der Oberseite des laminierten Kontaktstücks. Das selektiv leitende Element umfaßt ein ebenes, offenzelliges und poröses Material mit einer X-, einer Y- und einer Z-Achse, wobei vertikal definierte Querschnittsflächen in die Richtungen der X- und der Y-Achse elektrisch isoliert sind. Die Querschnittsbereiche erstrecken sich von einer Seite des Materials zu dessen anderer Seite und sind mit leitendem Metall abgedeckt, so daß sie in der Lage sind, die ersten Anschlüsse mit entsprechenden Kontakt-Pads an dem Kontaktstück elektrisch zu koppeln.
Das selektiv leitende Element, das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, kann in dem porösen Werkstoff ein Elastomer enthalten. Wird ein Elastomer in Kombination mit dem porösen Substrat verwendet, so ist das Zwischenelement besser wiederverwendbar und weniger nachgiebig als ein Z-Achsen-Element ohne ein Elastomer.
Allgemein beinhaltet ein Burn-In-Reihentest von elektronischen Komponenten das Positionieren einer Burn-In-Einheit in einer temperaturgesteuerten Umgebung, so daß nach unten hängende leitende Erhebungen mit entsprechenden leitenden Pads der zu untersuchenden elektronischen Komponente gekoppelt werden. Wenn das Testsignal erzeugt wird, wird es durch die Burn-In-Einheit zu den leitenden Pads der elektronischen Komponente geleitet. Die Untersuchung erfolgt üblicherweise bei einer Temperatur von mindestens 90°C, vorzugsweise zwischen 125°C und 200°C während 8 bis 168 Stunden, vorzugsweise zwischen 8 und 24 Stunden. Die Zeit der Prüfung hängt ab von der Burn-In-Temperatur, bei niedrigeren Temperaturen ist die Burn-In-Zeit länger. Testsignale werden von dem Anschluß zu den ersten Anschlüssen, einem ersten Satz von in Z-Achsen-Richtung leitenden Pfaden, einen zweiten Satz von in Z-Richtung leitenden Pfaden über leitende Erhebungen geleitet.
Beispiele werden im folgenden anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Wafer mit mehreren darauf ausgebildeten integrierten Schaltungschips, von denen jeder Chip ein Muster von Kontakt-Pads für die elektrische Verbindung mit dem Chip aufweist;
2 eine Burn-In-Vorrichtung für ein Burn-In auf Waferebene mit leitenden Erhebungen des laminierten Kontaktstücks, welches vor dem Kontaktieren des Wafers angehoben ist;
3 die Burn-In-Vorrichtung nach 2, wobei die leitenden Erhebungen des laminierten Kontaktstücks in innigem Kontakt mit den Kontakt-Pads des Wafers stehen;
4 eine alternative Ausführungsform einer Burn-In-Vorrichtung, in der der innige Kontakt zwischen dem laminierten Kontaktstück und dem geprüften Wafer von einer aufblasbaren Blase gesteuert wird;
5 die Basiseinheit mit oberen ausgleichenden "Dummy"-Schichten und unteren guten "Schaltkreis"-Schichten;
6 eine Basiseinheit mit Signalschichten, einer unteren CTE-Basisschicht und fünf Ausgleichsschichten;
7 eine Schnittansicht der Pad-Schicht, wobei Kontakt-Pads und Bohrungslöcher durch eine dielektrische Schicht dargestellt sind;
8 eine Ansicht einer Signalschicht, wobei Signalbahnen auf einer dielektrischen Schicht dargestellt sind;
9 eine Schnittansicht durch die untere CTE-Basisschicht, wobei deren Komponentenschichten gezeigt sind;
10 bis 12 schematisch die Art und Weise der Ausbildung unregelmäßiger Z-Achsen-Pfade, die sich durch ein offenzelliges poröses Substrat hindurch erstrecken;
13 ein poröses Substrat mit isolierten, in Richtung der Z-Achse leitenden Pfaden, die sich in Dickenrichtung des Substrats erstrecken und in leitenden Oberflächenkontakten münden;
14 eine Rasterelektronen-Mikroaufnahme von ePTFE-Material, welches hergestellt wurde zur Schaffung eines Z-Achsen-Materials, das eine Dichte von 0,22 g/cm³, eine Dicke von 76 μm und ein Lufthohlraumvolumen von 70% besitzt;
15 eine Rasterelektronen-Mikroaufnahme eines ePTFE-Materials, welches hergestellt wurde zur Bildung eines Z-Achsen-Materials mit einer Dichte von 0,40 g/cm³, einer Dicke von 40 μm und einem Lufthohlraumvolumen von 20%;
16 eine Rasterelektronen-Mikroaufnahme eines ePTFE-Materials für die Herstellung eines Z-Achsen-Materials mit einer Dichte von 0,35 g/cm³, einer Dicke von 100 μm und einem Lufthohlraumvolumen von 70%;
17 eine Rasterelektronen-Mikroaufnahme eines ePTFE-Materials für die Herstellung eines Z-Achsen-Materials mit einer Dichte von 0,20 g/cm³, einer Dicke von 150 μm und einem Lufthohlraumvolumen von 70%;
18 ein 0,20 mm (8 mil) großes Pad an einem Z-Achsen-Material;
19 ein Feld von 0,20 mm (8 mil) großen Pads mit einem 0,38 mm (15 mil) Mittenabstand auf einem Z-Achsen-Material;
20 bis 34 die Prozeßabfolge bei der Herstellung des laminierten Waferebenen-Kontaktflachstücks gemäß der Erfindung;
35 eine Rasterelektronen-Mikroaufnahme einer Erhebung, die auf dem erfindungsgemäßen Kontaktstück gebildet ist;
36 eine vergrößerte Ansicht der Bohrung und des umgebenden Photoresists zur Bildung einer leitenden Erhebung an dem erfindungsgemäßen Kontaktstück;
37 eine isolierte leitende Erhebung und deren Abmessungen; und
38 eine Rasterelektronen-Mikroaufnahme eines ePTFE-Materials zur Herstellung eines Klebstoff-Füllstoff-Komposits.
Die Burn-In-Vorrichtung enthält: (1) eine Burn-In-Substrateinheit mit einer hochplanaren Basis; (2) eine nachgiebige, wiederverwendbare Z-Achsen-Einheit, die optional ein Elastomer enthält; und (3) eine wiederverwendbare laminierte Z-Achsen-Waferebenen-Kontaktflachstückeinheit (im folgenden einfach als Kontaktstück bezeichnet), angeordnet in einer gestapelten Gruppe, und das Gestell. Die Burn-In-Substrateinheit, die Schaltkreisschichten in einem unteren Bereich oder der unteren Oberfläche enthält, und das Kontaktstück sind elektrisch miteinander gekoppelt, wenn sich zwischen ihnen die nachgiebige, wiederverwendbare Z-Achsen-Einheit befindet.
In 1 ist ein Halbleiterwafer 1 gezeigt, der mehrere Chips 2 enthält. Der Wafer 1 kann ein Siliciumwafer oder ein Wafer aus irgendeinem anderen passenden Material sein, beispielsweise Germanium, Silicium-Germanium, Siliciumcarbid, Galliumarsenid, Selen, Tellur, InSb, BP, CdS, ZnSe, ZnTe, PbS, InP, PbSe, PbTe, InAs, GaSb, ZnS und Bi₂Te₃. Jeder Chip 2 des Wafers 1 enthält eine Mehrzahl von Kontakt-Pads 3, die während des Testvorgangs in elektrischen Kontakt mit der zu beschreibenden Testapparatur gebracht werden. Die Chips 2 können zum Beispiel Speicherchips sein, so zum Beispiel (allerdings ohne Beschränkung) dynamische Schreib-/Lese-Speicher (DRAMS), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICS), Analog-Chips oder eine Kombination aus diesen Teilen. Die Chips 2 sind typischerweise in Spalten 4 oder Reihen 5 auf dem Wafer angeordnet, so daß bei Abschluß des Testvorgangs die Chips von dem Wafer abgeschnitten oder "gewürfelt" werden können, indem entlang den Kanälen gesägt wird. Anschließend werden die abgetrennten Chips weiterverarbeitet, indem sie in Einzelchipmodule (SCM), Mehrchipmodule (MCM) gehäust werden oder indem sie direkt auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) angebracht werden.
In 2 ist der Vorprüfungs- oder Vortestbetrieb der Burn-In-Vorrichtung dargestellt. Die Burn-In-Vorrichtung 6 enthält eine Basiseinheit 7, ein nachgiebiges, selektiv in Richtung der Z-Achse leitendes Z-Achsenelement 8, das ein Elastomer enthalten kann, ein laminiertes Kontaktstück 9, ein Einspannfutter 15 zum Aufnehmen eines Halbleiterwafers 1, und einen Testsignalgenerator 10. Die Basiseinheit 7 besitzt eine hochplanare Struktur und befindet sich oberhalb des Wafers 1, wobei sie sich über den Rand oder die Ränder des Wafers 1 hinaus erstreckt.
Die Basiseinheit enthält eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12. Die Unterseite 12 enthält mehrere erste Anschlüsse 13 und zweite Anschlüsse 14. Die ersten Anschlüsse 13 und die zweiten Anschlüsse 14 sind elektrisch miteinander innerhalb der Basiseinheit 7 verbunden.
Die ersten Anschlüsse 13 sind in der Mitte der Basiseinheit 7 gruppiert, oberhalb des Wafers 1, auf dem sich ein entsprechendes Muster des Musters der Kontakt-Pads der Chips 2 befindet. Die zweiten Anschlüsse 14, die sich eben falls auf der Unterseite 12 der Basiseinheit 7 befinden, befinden sich außerhalb des Außenumfangs der ersten Anschlüsse 13. Die zweiten Anschlüsse 14 können einen Ring um die ersten Anschlüsse 13 bilden, sie können im wesentlichen auf einer Seite der ersten Anschlüsse gruppiert sein, sie können aber auch über die gesamte Unterseite 12 der Basiseinheit 7 außerhalb der Gruppe der ersten Anschlüsse 13 verteilt sein. Die zweiten Anschlüsse 14 sind an Kontaktstellen mit dem Testsignalgenerator 10 verbunden.
Eine Lehre 16 umfaßt das Burn-In-System und enthält einen Mechanismus 17, der Druck auf die Basis 7 aufbringen kann, um das Z-Achsen-Material 8 und das Kontaktstück 9 mit den daran befindlichen Erhebungen 18 zusammenzuführen, so daß die Erhebungen mit den Pads an dem Wafer 1 zusammenwirken. Am besten lassen sich die Erhebungen in den 34 und 35 erkennen.
Wie schematisch in 3 gezeigt ist, kann die Verbindung zwischen den Anschlüssen 14 und dem Generator 13 durch erhabene Elemente bewerkstelligt werden, die in mehreren komprimierbaren Stiften 21 münden, beispielsweise Pogo^®-Stiften oder S-förmigen Stiften, die sich auf der Oberseite 20 befinden. Die komprimierbaren Stifte 21 sind elektrisch über die erhabenen Elemente mit dem Testsignalgenerator 10 verbunden und sind in einem passenden Muster entsprechend dem Muster der zweiten Anschlüsse 14 an der Basiseinheit 7 angeordnet.
Das Kontaktstück 9 gemäß der Erfindung kann im wesentlichen die gleiche Größe haben wie der Wafer 1, und es besitzt Kontakt-Pads 20, die in einem Muster angeordnet sind, welches demjenigen der ersten Anschlüsse 13 und demjenigen der Kontakt-Pads 3 an dem Wafer 1 entspricht. Die Anschlüsse 13 sind Kontakt-Pads, die aus mindestens einer Metallschicht, beispielsweise aus Kupfer, Nickel, Gold, Platin, Palladium oder Cobalt gebildet sind, wobei die Dik ke einer Schicht zwischen 1 μm und 50 μm liegt und die Abmessungen zwischen 25 μm × 25 μm und 250 μm × 250 μm bei beliebiger Gestalt liegen.
Die Kontakt-Pads 20 auf der Oberfläche des laminierten Kontaktstücks 9 werden ausgerichtet mit den ersten Anschlüssen 13 der Basiseinheit 7 und werden zwischenzeitlich an der Unterseite der Basiseinheit mit Hilfe des selektiv leitenden Elements 8 angebracht. Das selektiv leitende Element 8 bildet einen elektrischen Kontakt zwischen den ersten Anschlüssen 13 der Basiseinheit 7 und den Kontakt-Pads 20 an dem laminierten Kontaktstück 9.
Das Kontaktstück 9 besitzt außerdem erhabene Erhebungen 18 auf seiner Unterseite, die in eine Spitze auflaufen, die einen Durchmesser von 0,0064 bis 0,0126 mm (0,25 bis 2,0 mil) aufweisen. Die Erhebungen 18, am besten in den 34 und 35 zu erkennen, tragen das Bezugszeichen 67. Die Erhebungen 18 weisen ein Muster entsprechend dem der Kontakt-Pads 3 an dem Wafer 1 auf, sie sind individuell elektrisch gekoppelt mit den Kontakt-Pads 20 auf der Oberseite des laminierten Kontaktstücks 9, wie am besten in 34 zu erkennen ist.
Wenn ein Wafer 1 an dem Spannfutter 18 angesetzt wird, wird der Wafer 1 derart ausgerichtet, daß das Muster der Kontakt-Pads 3 auf dem Wafer 1 dem Muster der Erhebungen 18 an dem laminierten Kontaktstück 9 entspricht. Die Ausrichtung läßt sich bewerkstelligen durch jede von mehreren verfügbaren Methoden, darunter die optische Ausrichtung, die Infrarot-Ausrichtung, die Röntgenstrahlausrichtung oder die mechanische Ausrichtung, beispielsweise unter Einsatz von Vertiefungen in dem Kontaktstück 9, die zu (nicht gezeigten) Vorsprüngen an dem Wafer 1 passen. Der Wafer 1 kann an dem Spannfutter 15 von einer mechanischen Lehre 16 und 17 gehalten werden, indem zwischen dem Wafer 1 und der Spannvorrichtung 15 ein (nicht gezeigtes) Vakuum erzeugt wird, oder eine mechanische Kupplung eingesetzt wird.
3 zeigt die Burn-In-Vorrichtung nach 2, bei der die Erhebungen 18 des laminierten Kontaktstücks 9 in innige Berührung mit den Kontakt-Pads 3 des Wafers 1 gebracht sind. Außerdem sind die zweiten Anschlüsse 14 der Basiseinheit 7 in Kontakt gelangt mit den komprimierbaren Stiften 21 des Testsignalgenerators 10. Alternativ kann die Kontaktgabe mit Hilfe eines Kolbens erfolgen, der die Erhebungen der Burn-In-Vorrichtung gegen die Kontakt-Pads 3 des Wafers 1 drückt und außerdem die zweiten Anschlüsse 14 gegen die komprimierbaren Stifte 21 des Testsignalgenerators 10 drückt. Die Kontaktgabe läßt sich bewerkstelligen durch Schaffung eines Vakuums zwischen dem erhabenen Element des Testsignalgenerators und der Basiseinheit.
In dem Spannfutter 15 kann ein (nicht gezeigtes) Heizelement enthalten sein, um dem Wafer 1 Wärme zuzuführen und dadurch die Temperatur der geprüften integrierten Schaltungen in den Chips 2 auf eine gewünschte Burn-In-Temperatur anzuheben. Befinden sich auf dem Wafer Hochleistungschips, so kann die in den Chips 2 entwickelte Wärme die Temperatur der integrierten Schaltungen über die gewünschte Burn-In-Temperatur anheben. In diesem Fall kann man den Wafer abkühlen, indem kalte Luft über den Wafer geblasen wird, indem innerhalb des Spannfutters 15 ein Kühlelement untergebracht wurde, oder indem eine von weiteren zahlreichen Methoden eingesetzt wird. Alternativ kann die gesamte Anordnung in einer temperaturgesteuerten Umgebung untergebracht werden, um die erhöhten Temperaturen für die Burn-In-Prozeduren zu erreichen. Methoden zum Steuern der Temperatur im Halbleitermaterial, beim Fertigen und beim Prüfen sind bekannt.
4 zeigt ein Beispiel, bei dem Druckkraft für die Burn-In-Vorrichtung 6 von einer aufblasbaren Blase 24 geliefert wird, die über eine Ventilleitung 25 mit einer (nicht gezeigten) Fluidquelle verbunden ist. Das Aufblasen läßt sich durch Flüssigkeit oder ein Gas erreichen und kann auch dazu dienen, eine mögliche Verkantung der Burn-In-Vorrichtung gegenüber dem zu prüfenden Wafer zu kompensieren.
In dem hier vorliegenden Beispiel kann der Testsignalgenerator 10 mit den zweiten Anschlüssen 14 über verschiedene Methoden gekoppelt sein, darunter ein starrer Verbinder oder ein flexibles leitendes Band. Die zweiten Anschlüsse 14 können sich auf der Oberfläche 2 der Burn-In-Vorrichtung befinden, angeordnet in einem Muster, das im wesentlichen in der darunter liegenden Fläche des Wafers 1 enthalten ist. Bei diesem Szenario kann die Burn-In-Vorrichtung 6 selbst eine Größe aufweisen, die nicht über diejenige des Wafers selbst hinausgeht.
BASISEINHEIT:
Die Basiseinheit ist am besten in 5 zu sehen, sie enthält eine hochplanare Basis 25 aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten oder mit einem Material mit angepaßtem Wärmeausdehnungskoeffizienten, gewonnen durch laminierte Schichten mit niedrigem und hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Basiseinheit enthält einen Stapel guter Schaltkreisschichten 26, von denen jede Schicht eine Metallschicht und eine Dielektrikumschicht enthält. Die Schicht 27 der Basiseinheit 7 enthält Dummy-Schichten 27 für den Gleichgewichts-Ausgleich der Schaltkreisschichten 26. Die Unterseite 28 enthält die ersten und die zweiten Anschlüsse 13 und 14.
6 zeigt eine Basiseinheit, die gute Schaltkreisschichten 32, eine Basis 31 mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten oder eine Basis 31 mit einem niedrigen Komposit-Wärmeausdehnungskoeffizienten oder einem angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten, außerdem Ausgleichsschichten 30 enthält. Die Basiseinheit 29 besitzt eine Pad-Schicht 33, drei Signalschichten 34, 36 und 37, eine Kernschicht 35, eine Basisschicht 31 mit niedrigem Temperaturaus dehnungskoeffizienten, außerdem Ausgleichsschichten 30. Die Schichten 33 bis 37 bilden die "guten" Schaltkreisschichten 26 der Basiseinheit 29. Die drei Signalschichten 34, 36 und 37 erleichtern das Leiten einer großen Anzahl von Signalen zwischen den ersten und den zweiten Anschlüssen 13 und 14 der Basiseinheit 29. Das Positionieren der Kernschicht 35 zwischen den Signalschichten schafft eine vorhersagbare Impedanz für Signalbahnen in jeder der Signalschichten 34, 36 und 37 und verringert elektrisches Rauschen innerhalb der Basiseinheit 29. Die Basis 31 mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten (im folgenden mit WAK abgekürzt) schränkt die wärmebedingte Ausdehnung der Basiseinheit 29 ein und trägt bei zur Erhaltung der hohen Ebenheit der Basiseinheit 29. Obschon die guten Schichten 33 bis 37 und die Ausgleichsschicht 30 insgesamt fünf Schichten umfassen, sind auch mehr oder weniger Schichten möglich.
Die Ausgleichsschichten 30 sind vorzugsweise so zahlreich wie die "guten" Schaltkreisschichten 26. Die Ausgleichsschichten sollten eine Anpassung für die Dichte von Kupfer und Dielektrikum der entsprechenden Schichten innerhalb der "guten" Schaltkreisschichten 26 auf der gegenüberliegenden Seite der Basis 31 mit niedrigem WAK schaffen. Die Dichteanpassung auf den einander abgewandten Seiten der Basis 31 mit niedrigem WAK unterstützt die Erhaltung der Ebenheit der Basiseinheit 29.
Die Ausgleichsschichten 30 können in keiner Weise beitragen zur elektrischen Leistungsfähigkeit der Basiseinheit 29 und können direkt eingesetzt werden zur Erhaltung der Ebenheit der Basiseinheit 29. Aus diesem Grund lassen sich die Ausgleichsschichten 30 mit Signalschichten und Kernschichten implementieren, die durch herstellungsbedingte Defekte abfallen, die aber eine ziemlich ähnliche Dichte besitzen wie entsprechende "gute" Signalschichten 34, 36, 37 und Kernschichten 35 auf der gegenüberliegenden Seite der einen niedrigen WAK aufweisenden Basis. Allerdings könnten die Ausgleichsschichten zusätzliche "gute" Schaltkreisschichten sein.
Die Kernschicht 35 ist durch ein kontinuierliches Flachstück aus leitendem Werkstoff gebildet, die auf die dielektrische Schicht auflaminiert ist. Das leitende Material kann Halbunzen-Kupfer sein. Anstelle von Kupfer kann jedes Metall mit hohem WAK verwendet werden, beispielsweise Edelstahl, Molybdän und dergleichen. Das aus leitendem Material bestehende Flachstück kann eine im wesentlichen kontinuierliche Ebene bilden, kann aber auch ein Flachstück aus leitendem Material in Maschenform sein. Die Kernschicht 35 kann mit den zweiten Anschlüssen 14 verbunden sein und eine Spannung führen, beispielsweise eine Spannung gegen Masse oder Masse selbst, um Rauschen aus den Signalbahnen 43 der Signalschichten 34, 36, 37 (siehe 8). Außerdem verleiht die Kernschicht 35 den oberhalb und unterhalb von ihr befindlichen Signalbahnen 43 eine vorhersagbare Impedanz, entsprechend der Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums, der Geometrie der Signalbahnen 43 und ihrer Höhe oberhalb und unterhalb der Metallebene der Kernschicht 35. Die Kernschicht 35 kann mit Bohrungen 41 (siehe 7) durchlöchert sein, so daß eine elektrische Kopplung der Signalschichten 34, 36, 37 auf einander abgewandten Seiten der Kernschicht 35 möglich ist. Außerdem kann die Kernschicht 35 direkt mit den ersten Anschlüssen 13 der Pad-Schicht 33 über Bohrungen 41 gekoppelt sein, um dem zu prüfenden Wafer Leistung oder Massepotential zuzuleiten.
Bei einem anderen Beispiel können die Ausgleichsschichten 30 elektrisch dadurch in die Basiseinheit 29 eingebaut sein, daß aktive Signalleitungen auf den Ausgleichsschichten verlegt werden und die Signalleitungen über Bohrungen 41 durch die Basis 31 mit niedrigem WAK zu den ersten und den zweiten Anschlüssen 13 und 14 geleitet werden, möglicherweise auch mit Hilfe einer C-förmigen flexiblen Schaltung, die die obere und die untere Seite der Basiseinheit 29 umspannt. Darüber hinaus können die Ausgleichsschichten 30 ein oder mehrere aktive oder passive Schaltungen tragen, die das Burn-In der Wafer erleichtern.
7 zeigt eine umgekehrte Ansicht der Pad-Schicht 33. Die Pad-Schicht 33 besitzt elektrisch leitende Kontakt-Pads 38 an der dielektrischen Schicht 39. Die Kontakt-Pads 38 sind über eine Oberfläche 40 der dielektrischen Schicht 39 der Pad-Schicht 33 verteilt angeordnet und bilden die ersten und die zweiten Anschlüsse 13 und 14 der Basiseinheit 7 oder 29. Die Pads 38 können sich über die Oberfläche des Dielektrikums in der dargestellten Weise erheben, sie können irgendeine gewünschte Form aufweisen, beispielsweise kreisförmig, rechteckig, konisch und trapezförmig. Bei einem Beispiel sind die Kontakt-Pads 38 kreisförmig und bestehen aus einer unteren Kupferschicht mit einem äußeren Überzug aus Nickel oder Gold zur Korrosionsbeständigkeit und Verringerung des Kontaktwiderstands. Allerdings kann das Außenmaterial auch irgendein anderes Edelmetall sein, beispielsweise Platin oder Palladium. In ähnlicher Weise kann die äußere Metallschicht der Kontakt-Pads 38 auch irgendein nicht oxidierendes Metall oder eine Metallegierung sein. Das Kupfer der Kontakt-Pads 38 wird aus einer Basis-Kupferfolie gebildet durch subtraktives Fortätzen gemäß Stand der Technik. Im Anschluß daran kann eine Außenbeschichtung auf dem Kupfer mit Hilfe irgendeiner Methode gebildet werden, einschließlich das elektrolytische Niederschlagen oder das stromlose Abscheiden. Bohrungen 41 sind in der dielektrischen Schicht 39 der Pad-Schicht 33 unterhalb der Kontakt-Pads 38 ausgebildet. Durchgangslöcher 41 können in der dielektrischen Schicht 39 nach bekannten Verfahren ausgebildet werden, einschließlich Bohren und Laserablation.
Im allgemeinen lassen sich verschiedene dielektrische Werkstoffe auf ePTFE-Basis mittels Laser unter Einsatz von moden-verrasteten Feststofflasern bohren, die im UV-Bereich arbeiten, insbesondere unter Einsatz von Lasern, die Energiedichten im Bereich von 0,5 bis 20 J/cm² liefern können und in der Lage sind, vor Ort und nahezu unmittelbar Energiedichte-Änderungen auszuführen durch Variieren der Pulswiederholrate von 1000 bis 10.000 Hz. Diese Änderungen der Pulswiederholrate führen zu Schwankungen der Pulsbreite bei Nd:YAG-Lasern zwischen 40 und 100 ns. Führt man eine Pulsfolge-Abstufung zum Beseitigen von Dielektrikumresten nach der anfänglichen Ablation durch, läßt sich die Pulsdichte für eine kurze Zeitspanne verdoppeln, wobei 1 bis 10 Pulse typisch sind.
Bei einem Beispiel werden Blindbohrungen mit Lasern in Form von gepulsten Feststofflasern, beispielsweise einem gepulsten Nd:YAG-Laser gebildet. Die grundlegende Ausgangsgröße bei Nd:YAG-Lasern hat eine Wellenlänge von 1064 nm. Diese Wellenlänge liegt im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Durch Anordnen von Beta-Barium-Borat-(BBO-)Kristallen im optischen Weg der Grundwellenerzeugung läßt sich Licht mit 355 nm (dritte Harmonische) und 266 nm (vierte Harmonische) erzeugen, welches in den ultravioletten Bereich fällt.
Die Wellenlängen von 355 nm und 266 nm eignen sich besonders gut zum Bohren von Löchern in den erfindungsgemäßen laminierten Substraten. Die Pulslänge, die Energiedichte und die Pulszahl lassen sich abhängig vom Typ der zu bildenden Bohrung und vom Material des laminierten Substrats variieren.
Beispielsweise beträgt zum Bohren von Blindbohrungen in einem laminierten Substrat aus abwechselnden Schichten aus Kupfer und einem mit Klebstoff und Füllstoff gefüllten ePTFE-Dielektrikum bei Verwendung eines 266-nm-Lasers die Energiedichte 1,5 J/cm², die Energie pro Puls beträgt 10 μJ, und die Leistungsdichte beträgt 20 Megawatt pro cm². Bei einer Wellenlänge von 355 nm werden Blindbohrungen dadurch erzeugt, daß die Energiedichte auf 3,5 J/cm² eingestellt wird, die Energie pro Puls 30 μJ beträgt und die Leistungsdichte 35 Megawatt pro cm² beträgt. Die Puls-Folgestufe für 355-nm-Blindbohrungen erfordert eine solche Einstellung der Bedingungen, daß die Energiedichte 11 J/cm², die Energie pro Puls 100 μJ und die Leistungsdichte 200 Megawatt pro cm² beträgt.
Bei der Ausbildung von Blindbohrungen in dem mit Klebstoff und Füllmaterial gefüllten ePTFE-Dielektrikum beträgt bei Verwendung eines 355-nm-Lasers die Energiedichte 7 J/cm², die Energie pro Puls beträgt 65 μJ, und die Leistungsdichte beträgt 100 Megawatt pro cm². Die Pulsfolgestufe würde eine Justierung der Parameter in der Weise erfordern, daß die Energiedichte 11 J/cm², die Energie pro Puls 100 μJ und die Leistungsdichte 200 Megawatt pro cm² beträgt.
Die Durchgangslöcher 41 können dann mit Metall, beispielsweise Kupfer, gefüllt werden, um einen leitenden Pfad von den Kontakt-Pads 38 auf der Oberseite 40 der Pad-Schicht 33 zu der Unterseite 42 der Pad-Schicht 33 zu bilden.
Oberhalb der Pad-Schicht 33 befinden sich ein oder mehrere Signalschichten 34, 36 und 37. Allerdings ist die Pad-Schicht 33 optional, und die als Teil der Pad-Schicht 33 oben beschriebenen Kontakt-Pads 38 lassen sich direkt an der Signalschicht 34 implementieren. Die Signalschichten 34, 36 und 37 umfassen mehrere leitende Segmente oder Signalspuren 93, die über eine Dielektrikumschicht verteilt sind, wie aus 8 hervorgeht.
Wie in 8 gezeigt ist, erzeugen die Signalbahnen 43 einen leitenden Weg 44 zwischen den ersten Anschlüssen 13 und den zweiten Anschlüssen 14 der Basiseinheit 7 oder 29. Die Signalbahnen 43 sind typischerweise und vorzugsweise aus Kupfer durch subtraktives Fortätzen gebildet. Ein vollständiger leitender Weg von den ersten Anschlüssen 13 zu den zweiten Anschlüssen 14 kann gebildet werden durch Schaffung eines Wegs von einem ersten Anschluß 13 nach oben durch eine (nicht gezeigte) Durchgangsbohrung 91 in der dielek trischen Schicht 39 der Pad-Schicht 33 zu einem Signalweg 93 der Signalschicht, über den Signalweg 93 der Signalschicht zu einer weiteren Durchgangsbohrung nach unten durch das Dielektrikum der Pad-Schicht 33 hin zu einem entsprechenden zweiten Anschluß 14. In ähnlicher Weise können die ersten und die zweiten Anschlüsse 13 und 14 elektrisch durch einen komplexeren Weg von Signalbahnen 43 und Bohrungen 41 verbunden werden, die mehrere Signalschichten durchsetzen.
9 zeigt eine Basis 31 mit niedrigem WAK. Die Basis 31 wird gebildet durch eine dreilagige Stapelanordnung aus INVAR 36, Kupfer und INVAR 36 entsprechend den Schichten 45, 46 und 47. Anstelle von INVAR 36 kann auch eine Nickel- oder Eisenlegierung verwendet werden, die zwischen 30 Gew.-% und 42 Gew.-% Nickel enthält. Anstelle von INVAR 36 und den Schichten 45 und 47 kann auch irgendein Material mit niedrigem WAK, angepaßt an die Wafer-Testvorrichtung, verwendet werden, beispielsweise können Nickel-Legierungen verwendet werden, ohne eine Beschränkung hierauf. Die beiden Flachstücke aus Nickel-Legierung besitzen eine gemeinsame Dicke t₁, das Kupferflachstück 46 hat eine Dicke t₂, wobei das Verhältnis von t₁ zu t₂ so gewählt ist, daß eine Anpassung an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halbleiterwafers erfolgt. Das Verhältnis von t₁ zu t₂ kann zwischen 4 : 1 und 14 : 1 liegen, darunter Verhältnisse – ohne Beschränkung – von 10 : 1, 11 : 1 und 12 : 1.
Bei einem Beispiel besitzen die Nickelschichten jeweils eine Dicke von etwa 2,92 mm (115 mil), wobei das Verhältnis der Nickelschichten zur Kupferschicht zu einem Wärmeausdehnungskoeffizienten führt, der an einen Siliciumwafer angepaßt ist. Allerdings schafft das Verhältnis der Nickelschicht-Dicke oder der Dicke einer anderen Materialschicht zu der Kupferschicht-Dicke einen Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Basis, der angepaßt ist an denjenigen eines Wafers aus Germanium, Silicium-Germanium, Silicium-Carbid, Galliumarsenid, Selen und Tellur.
Nickel-Legierungen besitzen einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, und schränken daher die Ausdehnung der Basiseinheit 31 gegenüber dem Wafer 1 bei zunehmender Temperatur ein. Vorzugsweise wird ein quadratisches Flachstück aus INVAR 36 und Kupfermaterial von 14 Zoll verwendet. Allerdings können auch kreisförmige oder rechteckige Flachstücke verwendet werden. Die Flachstücke haben eine Abmessung zwischen 6 und 20 Zoll, das heißt eine Durchmesser- oder Seitenlänge von beispielsweise 8, 12, 14, 16 und 20 Zoll.
Die Flachstücke aus INVAR 36 und die Flachstücke 45 und 47 sind vorzugsweise spanend bearbeitet auf eine Stärke von 115 mil mit einem Ebenheits-Grad zwischen 0,508 und 0,0083 mm pro Linear-Meter (0,020 und 0,0001 Zoll pro Linear-Fuß), vorzugsweise zwischen 0,833 und 0,0083 mm pro Linear-Meter (0,01 und 0,0001 Zoll pro Linear-Fuß). Am meisten bevorzugt beträgt der Grad der Ebenheit 0,0833 mm pro Linear-Meter (0,001 Zoll pro Linear-Fuß).
Die Kupferschicht 46 ist etwa 0,533 mm (21 mil) dick und besitzt eine Ebenheit von 0,041 mm pro Linear-Meter (0,0005 Zoll pro Linear-Fuß). Die Kupferschicht umfaßt etwa 8% bis 10%, zum Beispiel 9,1% der gesamten Dicke der Metall- oder Metallegierungs-Schicht und der Kupferschicht.
Der Stapel aus INVAR 36, Kuper und INVAR 36 wird hergestellt durch Laminieren jedes Teils aus INVAR 36 auf einer Oberfläche des Kupfers unter Einsatz eines Dielektrikums 48, beispielsweise Speedboard^® C, beziehbar von W. L. Gore & Associates, welches unten beschrieben wird. Die dielektrischen Schichten der Basis mit niedrigem WAK haben eine Dicke zwischen 25 μm und 250 μm.
Die Flachstückdicke beträgt bei einer Ausführungsform 2,93 mm (115 mil) und 0,53 mm (21 mil) für die Nickellegierung bzw. die Kupferflachstücke, allerdings können beliebige Abmessungen gewählt werden, solange die Dicke der Flachstücke aus Nickellegierung größer ist als die Dicke des Kupfers.
DIELEKTRIKUM:
Die dielektrischen Werkstoffe für die Basiseinheit und das Kontaktstück können Werkstoffe aus Hochtemperatur-Dielektrikum sein. Geeignete dielektrische Werkstoffe enthalten zum Beispiel – ohne Beschränkung – Polyimide und Polyimid-Laminate, Epoxidharze, organische Werkstoffe oder dielektrische Werkstoffe aus mindestens teilweise Polytetrafluorethylen mit oder ohne Füllstoff, wobei im Fall des Imprägnierens mit einem Klebstoff das Material ausgehärtet wird und ein B-Stufen-Material bildet. Geeignete Werkstoffe beinhalten Speedboard^®-Bindelagen, beziehbar von W. L. Gore & Associates, Inc. Es versteht sich, daß Speedboard^® C keinen keramischen Füllstoff enthält und ein Prepreg-Vliesmaterial ist, welches ein Cyanatesterharz in einer Polytetrafluorethylen-Matrix enthält. Speedboard^® besitzt eine Dielektrizitätskonstante (Dk) von etwa 2,6 bis etwa 2,7 bei 1 MHz bis 10 GHz, einen Verlust-Tangens von 0,004 bei 1 MHz bis 10 GHz, eine Durchschlagfestigkeit von mehr als 1000 V/mil, einen Glasübergangspunkt T₉ von 220°C, einen Harzanteil von 66 bis 68 Gew.-% und ist in verschiedenen Dicken verfügbar.
Andere Klassen dielektrischen Werkstoffe enthalten solche, bei denen ein poröses Matrixsystem ein eingebettetes oder imprägniertes Klebefüllstoff-Gemisch enthält. Die poröse Matrix ist ein vliesartiges Substrat, das mit großen Mengen eines Füllstoffs und eines thermoplastischen oder duroplastischen Klebstoffs versehen ist, Ergebnis eines Anfangs-Hohlraumvolumens des Substrats, erhitzt zwecks teilweiser Aushärtung des Klebstoffs und zur Bildung eines B-Komposits. Substrate enthalten Fluorpolymere wie zum Beispiel poröses, expandiertes Polytetrafluorethylen nach den US-Patenten 3 953 566 von Gore und 4 482 516 von Bowman et al., jeweils hier durch Bezugnahme inkorporiert. Vorzugsweise sollte die mittlere Fließ-Porengröße (MFPS; mean flow pore size) zwischen etwa dem 2- bis 5-fachen des größten Teilchens oder darüber liegen, wobei der MFPS-Wert bei mehr als dem etwa 2,4-fachen des Füllstoffs besonders bevorzugt wird. Möglich ist allerdings auch, geeignete Komposite dadurch zu erhalten, daß man den MFPS-Wert als Verhältnis zu der mittleren Partikelgröße zu mehr als 14 wählt. Akzeptierbare Komposite können auch dadurch hergestellt werden, daß man die kleinste Porengröße zu der mittleren Teilchengröße in ein Verhältnis von mehr als 0,8 einstellt oder die kleinste Porengröße zu der größten Teilchengröße auf einen Wert von mindestens 0,4 einstellt. Das Verhältnis des MFPS-Werts zur Teilchengröße wird mit einem Microtrak-FRA-Analysator ermittelt.
Alternativ lassen sich weitere Mechanismen zur Bemessung der relativen Poren- und Partikelgröße errechnen als kleinste Porengröße von nicht weniger als etwa dem 14-fachen der größten Teilchengröße.
Zusätzlich zu Substraten aus expandiertem Fluorpolymer kommen in Frage: poröse, expandierte Polyolefine, beispielsweise Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylen (UHMW-Polyethylen), expandiertes Polypropylen, Polytetrafluorethylen, welches hergestellt wird durch Pastenextrusion und Einbau von Opfer-Füllstoffen, poröse anorganische oder organische Schaumstoffe, mikroporöses Zelluloseacetat.
Das poröse Substrat hat ein Anfangs-Hohlraumvolumen von mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 50%, am meisten bevorzugt mindestens 70%, es erleichtert das Imprägnieren mit duroplastischem oder thermoplastischem Klebstoffharz und teilchenförmiger Füllstoffpaste in den Hohlräumen und bietet dabei eine flexible Verstärkung zur Vermeidung von Brüchigkeit des Gesamt-Komposits und zum Absetzen der Teilchen.
Der Füllstoff enthält eine Sammlung von Teilchen, analysiert mit Hilfe des Microtrak^® Modell FRA-Teilchenanalysators, der eine maximale Teilchengröße, eine minimale Teilchengröße und eine durchschnittliche Teilchengröße in Form eines Histogramms anzeigt.
Geeignete Füllstoffe für den Einbau in den Klebstoff enthalten – ohne Beschränkung – BaTiO₃, SiO₂, Al₂O₃, ZnO, ZiO₂, TiO₂, ausgefällte sowie Sol-Gel-Keramikwerkstoffe wie zum Beispiel Kieselerde, Titanoxid und Aluminiumoxid sowie nicht-leitender Kohlenstoff (Ruß) und Gemische daraus. Besonders bevorzugte Füllstoffe sind SiO₂, ZrO₂, TiO₂ allein oder in Kombination mit nichtleitendem Kohlenstoff. Die am meisten bevorzugten Füllstoffe beinhalten Füllstoff aus der Herstellung mit einem Metalldampf-Verbrennungsverfahren gemäß dem US-Patent 4 705 762, beispielsweise mit Silicium, Titan und Aluminium (ohne Beschränkung), um Teilchen aus Kieselerde, Titanoxid und Aluminiumoxid zu erhalten, die von Natur aus Feststoffe sind, das heißt keine hohlen Kügelchen mit einer gleichförmigen Oberflächenkrümmung und einem hohen Maß an Kugelförmigkeit.
Die Füllstoffe lassen sich mit bekannten Methoden bearbeiten, die den Füllstoff hydrophob machen, beispielsweise mit Hilfe von Silylierungs-Mittel und/oder auf die Klebstoffmatrix reagierende Mittel, beispielsweise unter Einsatz von Haftverbesserern. Geeignete Haftverbesserer enthalten Silane, Titanate, Zirkonate und Aluminate. Geeignete Silyliermittel können – ohne Beschränkung – funktionelle Silyliermittel, Silazane, Silanole, Siloxane enthaften. Geeignete Silazane enthalten- ohne Beschränkung – Hexamethyldisalazan (Huls H730) und Hexamethylcyclotrisilazan, Silylamide wie zum Beispiel Bis(Trimethylsilyl)acetamid (Huts B2500), Silylureas wie zum Beispiel Trimethylsilylurea, und Silylmidazole wie beispielsweise Trimethylsilylmidazol.
Titanat-Haftverbesserer sind beispielsweise vom Tetralkyl-Typ, Monoalkyl-Typ, Koordinatentyp, Chelat-Typ, quaternären Salz-Typ, Neoalkoxy-Typ und Zykloheteroatom-Typ. Bevorzugte Titanate enthalten Tetralkyltitanate, Tyzor^® TOT {Tetrakis(2-ethyl-hexyl)titanat}, Tyzor^® TPT {Tetralsopropyltitanat}, chelatbildende Titanate, Tyzor^® GBA {Titan-acetyl-acetylacetonat}, Tyzor^® DC {Titan-ethylacetatonat}, Tyzor^® CLA {Inhaber: DuPont}, Monoalkoxy (Ken-React^® KR TTS), Ken-React^®, KR-55 Tetra(2,2-Diallyloxymethyl)butyl, Di(ditridecyl)phosphitotitanat, LICA^® 38-Neopentyl(diallyl)oxy, Tri(dioctyl)pyro-phosphatotitanat.
Geeignete Zirkonate enthalten sämtliche Zirkonate, die im einzelnen auf Seite 22 des Kenrich-Katalogs angegeben sind, insbesondere KZ 55-Tetra(2,2-Diallyloxymethyl)butyl, Di(ditridecyl)phosphitozirkonat, NZ-01-Neopentyl(diallyl)oxy, Trineodecanoyl-Zirkonat, NZ-09-Neopentyl(diallyl)oxy, Tri(dodecyl)benzol-sulfonylzirkonat.
Die einsetzbaren Aluminate enthalten ohne Beschränkung auf Kenrich^®: Diisobutyl(oleyl)acetoacetylaluminat (KA 301), Diisopropyl(oleyl)acetoacetylaluminat (KA 322) und KA 489.
Zusätzlich zu den obigen Stoffen können gewisse Polymere verwendet werden, beispielsweise vernetzte Vinyl-Polymere, beispielsweise Divinylbenzol, Divinylpyridin oder eine Menge von jedem der bekannten hitzehärtbaren Matrix-Klebstoffe, die zuerst in einer sehr hohen Verdünnung aufgebracht werden (0,1 bis hin zu 1,0% Lösung in MEK). Außerdem können gewisse organische Peroxide wie zum Beispiel Dicumylperoxid, mit den Füllstoffen zum Reagieren gebracht werden.
Der Klebstoff selbst kann ein hitzehärtbarer oder ein thermoplastischer Stoff sein und kann Polyglycidylether, Polycyanurat, Polyisocyanat, Bis-triazinharze, Poly(bis-maleimid), mit Norbornen abgeschlossenes Polyimid, Polynorbornen, mit Acetylen abgeschlossenes Polyimid, Polybutadien und funktionalisierte Copolymer aus diesen Stoffen, zyklisches Olefin-Polycyclobuten und Polysi loxane enthalten, außerdem funktionalisierten Polyphenylenether, Polyacrylat, Novolak-Polymere und -Copolymere, Fluoropolymere sowie Copolymere, Melamin-Polymere und -Copolymere, Poly(bis-phenylcyclobutan und Gemische und Präpolymere dieser Stoffe. Man sieht, daß die oben genannten Klebstoffe selbst miteinander oder mit anderen Polymeren oder Additiven gemischt werden können, um zum Beispiel eine Flammschützeigenschaft oder verbesserte Festigkeit zu erzielen.
Im vorliegenden Zusammenhang wurden die mittlere Fließporengröße und die minimale Porengröße mit Hilfe eines Coulter^®-Porometers II (Coulter Electronics Ltd., Luton, UK) ermittelt, das den Wert direkt angibt. Die mittlere Teilchengröße und die größte Teilchengröße wurden mit Hilfe eines Streulicht-Teilchengrößenanalysators der Firma Microtrac, Modell Nr. FRA ermittelt (Microtrac Division of Leeds & Northup, North Wales, PA, USA). Die durchschnittliche Teilchengröße (APS) ist definiert als der Wert, bei dem 50% der Teilchen größer sind. Die größte Teilchengröße (LPS) ist definiert als das größte nachweisbare Teilchen auf einem Microtrac-Histogramm. Alternativ ist die größte Teilchengröße definiert als der Minimum-Punkt, wenn das Gerät Microtrak-FRA festgestellt hat, daß 100% des Teilchenmaterials durchgelaufen sind.
Im allgemeinen beinhaltet das Verfahren zum Vorbereiten des Klebstoff-Füllstoff-Dielektrikums: (a) Expandieren eines Polytetrafluorethylen-Flachstücks, indem ein mit Gleitmittel versehener, extrudierter Vorformling auf eine Mikrostruktur gereckt wird, die ausreicht, damit kleine Teilchen und Klebstoffe frei in den Hohlraum oder das Porenvolumen einfließen können; (b) Bilden einer Paste aus Polymeren, beispielsweise hitzehärtbarem oder thermoplastischem Werkstoff und einem Füllstoff; und (c) Einsaugen-Lassen der Klebstoff-Füllstoff-Paste durch Eintauchen, Überziehen, Druckbeaufschlagung in das stark poröse Gerüst aus beispielsweise expandiertem Polytetrafluorethylen.
Um den gefüllten Klebstoffilm gemäß der Erfindung herzustellen, wird teilchenförmiger Füllstoff in einem Lösungsmittel oder einer wäßrigen Lösung oder in geschmolzenem Klebstoff gemischt, um ein fein dispergiertes Gemisch zu erhalten. Der Füllstoff in Form kleiner Teilchen ist üblicherweise kleiner als 4 μm (40 Mikrometer), vorzugsweise besitzt er eine durchschnittliche Teilchengröße zwischen 1 μm bis 10 μm (1 und 10 Mikrometer). Die mittlere Porengröße der aus Knötchen und Fibrillen bestehenden Struktur des Polytetrafluorethylens sollte groß genug sein, damit das Teilchenmaterial in angemessener Weise eindringen kann. Wenn das Substrat expandiertes Polytetrafluorethylen sein soll, sind Strukturen ähnlich jenen erwünscht, die in dem US-Patent 4 482 516 (Bowman et al.) offenbart sind. Vorzugsweise sollte die mittlere Fließporengröße (MFPS) zwischen etwa dem 2- bis 5-fachen oder mehr als das größte Teilchen betragen, wobei ein MFPS-Wert von mehr als etwa dem 2,4-fachen des Füllstoffs besonders bevorzugt ist. Möglich ist aber auch, daß man geeignete Komposite herstellt, indem man die mittlere Fließporengröße (MFPS) im Verhältnis zu der durchschnittlichen Teilchengröße in einem Wert von mehr als 1,4 wählt. Akzeptierbare Komposite können auch erhalten werden, wenn die kleinste Porengröße im Verhältnis zur durchschnittlichen Teilchengröße mindestens 0,8 beträgt oder die kleinste Porengröße zur maximalen Teilchengröße mindestens oberhalb von 0,4 liegt. Der MFPS-Wert in Bezug auf die Teilchengröße wird mit Hilfe eines Microtrak-FRA-Analysators ermittelt.
Alternativ können auch andere Mechanismen zum Messen der relativen Poren- und Teilchengrößen herangezogen werden, um zum Beispiel die kleinste Porengröße als nicht weniger als etwa das 1,4-fache der größten Teilchengröße zu berechnen.
Die Tabelle 1 zeigt den Effekt der Relation der mittleren Fließporengröße (MFPS) des Substrats zur Teilchengröße. Wenn das Verhältnis der mittleren Fließporengröße (MFPS) zum größten Teilchen 1,4 oder weniger beträgt, wer den schlechte Ergebnisse erzielt. In diesem Fall kann ein homogenes Komposit nicht erhalten werden, der größte Teil des teilchenförmigen Füllstoffs dringt nicht gleichmäßig in die mikroporöse Substratstruktur ein. Wenn das Verhältnis des MFPS-Werts zum größten Teilchen mehr als etwa 2,0 beträgt, erhält man ein gleichförmiges Komposit. Außerdem kann man beobachten, daß je größer das Verhältnis des MFPS-Werts zum größten Teilchen ist, desto größer die Möglichkeit ist, daß sich eine homogene Dispersion in das mikroporöse Substrat einsaugt.
Tabelle 1
BEISPIEL 1
Es wurde eine feine Dispersion hergestellt, indem 281,6 g TiO₂ (TI Pure R-900, DuPont Company) in eine 20%-(w/w)Lösung eines flammschutzbehandelten, katalysierten Dicyanamid/2-methylimidazol mit Bisphenol-A-basiertem Polyglycidylether (Nelco N-4002-5, Nelco Corp.) in MEK eingemischt wurden. Die Dispersion wurde konstant gerührt, um Gleichmäßigkeit zu garantieren. Dann wurde eine Stoffprobe aus expandiertem PTFE in das Harzgemisch eingetaucht. Das Stück wurde 1 Minute lang bei 165°C unter Spannung getrocknet, um ein flexibles Verbundmaterial zu erhalten. Das teilweise ausgehärtete, so erzeugte Klebstoff-Verbundmaterial umfaßte 57 Gew.-% TiO₂, 13 Gew.-% PTFE und 30 Gew.-% Epoxid-Klebstoff. Es wurden mehrere Lagen des Klebstoff-Flachstücks zwischen Kupferfolie gestapelt und mit 4,22 × 10⁵ kg/m² (600 psi) in einer vakuumunterstützten Hydraulikpresse bei einer Temperatur von 225°C 90 Minuten lang zusammengepreßt und dann unter Druck abgekühlt. Dies ergab ein Kupferlaminat mit einer Dielektrizitätskonstanten von 19,0, das Material widerstand einem 30 Sekunden dauernden Lötmaterialangriff bei 280°C bei einer durchschnittlichen Lagenstärke von 100 μm (0,0039 Zoll (3,9 mil)) Stärke des dielektrischen Laminats.
BEISPIEL 2
Es wurde eine feine Dispersion hergestellt durch Einmischen von 386 g SiO₂ (HW-11-89, Harbison Walker Corp.), das mit Phenyltrimethoxysilan (04330, Huls/Petrarch) vorbehandelt wurde in einer katalysierten Manganlösung aus 200 g Bismaleimid-Triazinharz (BT2060OBJ, Mitsubishi Gas Chemical) und 388 g MEK. Die Dispersion wurde konstant gerührt, um Gleichförmigkeit zu garantieren. Eine Stoffprobe aus 5,08 × 10^–5 m (0,0002 Zoll) dickem expandierten PTFE wurde dann in das Harzgemisch eingetaucht, herausgezogen und anschließend 1 Minute lang bei 165°C unter Spannung getrocknet, um einen fle xiblen Verbundstoff zu erhalten. Mehrere Lagen dieses Prepreg-Materials wurden zwischen Kupferfolie übereinandergelegt und 90 Minuten lang bei 250 psi in einer vakuumunterstützten Hydraulikpresse bei einer Temperatur von 225°C zusammengepreßt und dann unter Druck abgekühlt. Das so erhaltene Dielektrikum enthielt 53 Gew.-% SiO₂, 5 Gew.-% PTFE und 42 Gew.-% Klebstoff, zeigte gute Haftfähigkeit an Kupfer, besaß eine Dielektrizitätskonstante (bei 10 GHz) von 3,3 und einen dielektrischen Verlustfaktor (bei 10 GHz) von 0,005.
BEISPIEL 3
Es wurde eine feine Dispersion hergestellt durch Mischen von 483 g SiO₂ (HW-11-89) in eine mit Magnesium katalysierte Lösung aus 274,7 g Bismaleimid-Triazinharz (BT2060BJ, Mitsubishi Gas Chemical) und 485 g MEK. Die Dispersion wurde konstant gerührt, um Gleichförmigkeit zu garantieren. Eine Probe aus 5,08 × 10^–5 m (0,0002 Zoll) dickem, expandiertem PTFE wurde dann in das Harzgemisch eingetaucht, herausgezogen und anschließend 1 Minute lang unter Spannung bei 165°C getrocknet, um einen flexiblen Verbundstoff zu erhalten. Aus diesem Prepreg wurden mehrere Lagen zwischen Kupferfolie gelegt und bei 1,71 × 10⁵ kg/m² (250 psi) in einer vakuumunterstützten Hydraulikpresse bei einer Temperatur von 225°C 90 Minuten lang gepreßt und dann unter Druck abgekühlt. Das so erzeugte Dielektrikum enthielt 57 Gew.-% SiO₂, 4 Gew.-% PTFE und 39 Gew.-% Klebstoff, zeigte gute Haftung an Kupfer, besaß eine Dielektrizitätskonstante (bei 10 GHz) von 3,2 und einen dielektrischen Verlustfaktor (bei 10 GHz) von 0,005.
BEISPIEL 4
Es wurde eine feine Dispersion hergestellt durch Mischen von 15,44 kg TiO₂-Pulver (TI Pure R-900, DuPont Company) in eine mit Mangan katalysierte Lö sung aus 3,30 kg Bismaleimid-Triazinharz (BT206OBH, Mitsubishi Gas Chemical) und 15,38 kg MEK. Die Dispersion wurde konstant gerührt, um Gleichmäßigkeit zu garantieren. Eine Stoffprobe aus einem 0,0004 Zoll großen, mit TiO₂ gefüllten Stück expandiertem PTFE (gefüllt gemäß der Lehre von Mortimer nach dem US-Patent 4 985 296, nur daß eine 40%-Beladung des TiO₂ gegeben war und die Membran am Schluß nicht komprimiert wurde) wurde dann in das Harzgemisch eingetaucht, herausgezogen und dann unter Spannung 1 Minute lang bei 165°C getrocknet, um einen flexiblen Verbundstoff zu erhalten. Der teilweise ausgehärtete Klebeverbundstoff enthielt 70 Gew.-% TiO₂, 9 Gew.-% PTFE und 21 Gew.-% Klebstoff. Von diesem Prepreg wurden mehrere Lagen zwischen Kupferfolie gelegt und in einer vakuumunterstützten Hydraulikpresse 90 Minuten lang bei 220°C einem Druck von 3,51 × 10⁵ kg/m² (500 psi) ausgesetzt und dann unter Druck gekühlt. Das so erhaltene Dielektrikum zeigte gute Haftung an Kupfer, besaß eine Dielektrizitätskonstante von 10,0 und einen dielektrischen Verlustfaktor von 0,008.
BEISPIEL 5
Es wurde eine feine Dispersion hergestellt durch Mischen von 7,35 kg SiO₂ (ADMATECHS SO-E2, Tatsumori LTD) mit 7,35 kg MEK und 73,5 g Haftmittel, nämlich 3-Glycidyloxypropyltri-methoxysilan (Dynasylan GLYMO (Petrach Systems)). SO-E2 wird von dem Hersteller als stark kugelförmige Kieselerde mit einem Teilchendurchmesser von 0,4 bis 0,6 um, einer spezifischen Oberfläche von 4–8 m²/g, und einer Schüttdichte von 0,2–0,4 g/cm³ (Lockenzustand) beschrieben.
Diese Dispersion wurden 932 g einer 50%-igen (w/w) Lösung eines cyanierten Phenolharzes, Primaset PT-30 (Lonza Corp.) in (MEK) Methylethylketon, 896 g einer 50%-igen (w/w) Lösung von RSL 1462 (Shell Resins, Inc. (CAS#25068-38-6)) in MEK, 380 g einer 50%-igen (w/w) Lösung von BC-58 (Great Lakes, Inc.) in MEK, 54 g einer 50%-igen Lösung von Eisphenol-A (Aldrich Company) in MEK, 12,6 g Irganox 1010 (Ciba Geigy), 3,1 g einer 0,6%-igen Lösung angan-2-ethylhexanoat (Mn HEX-CEM (OMG Ltd.)) und 2,40 kg MEK hinzugegeben. Diese Dispersion wurde mittels Ultraschall in einer durchgängigen Strömungszelle von Misonics etwa 20 Minuten bei einer Rate von 3,185–11,355 dm³/min (1–3 gal./min) gerührt. Die so erhaltene Feindispersion wurde weiter auf eine Badkonzentration von 11,9% Feststoffanteile (w/w) verdünnt.
Die Feindispersion wurde in ein Imprägnierbad einlaufen gelassen. Eine Bahn aus expandiertem Polytetrafluorethylen mit der in 5 gezeigten Knötchen-Fibrillenstruktur besaß folgende Eigenschaften:
Die Frazier-Zahl bezieht sich auf die Luftdurchlässigkeit des untersuchten Werkstoffs. Die Luftdurchlässigkeit wird gemessen, indem die Materialbahn in einer abgedichteten Befestigung eingeklemmt wird, die sich in einer kreisförmigen Fläche mit einer Größe von etwa 38,71 cm² (6 Quadratzoll) zwecks Messung des Luftstroms befindet. Die stromabwärtige Seite war mit einem Strömungsmeßgerät in Reihe mit einer Trocken-Druckluftquelle verbunden. Die stromabwärtige Seite der Probenbefestigung war zur Atmosphäre hin offen. Der Test wurde durchgeführt durch Anlegen eines Drucks von 12,7 mm (0,5 Zoll) Wassersäule an die stromaufwärtige Seite der Probe und durch Aufzeichnen des Strömungsdurchsatzes der durch das eingeschaltete Strömungsmeßgerät strömenden Luft (bei dem Gerät handelt es sich um ein Kugelschwimmer-Rotameter, welches an einen Durchflußmesser gekoppelt war).
Die Ball-Burst-Festigkeit betrifft einen Test, der die relative Festigkeit von Proben dadurch ermittelt, daß der Maximalwert bei einem Riß festgestellt wird. Die Bahn wird mit einer Kugel eines Durchmessers von 1 Zoll belastet, während sie zwischen zwei Platten eingeklemmt ist. Zum Einsatz kam der sogenannte Force Gauge Ball/Burst Test von Chatillon. Das Medium wird in der Meßvorrichtung eingespannt, und Druck wird aufgebracht, indem die Bahn in Berührung mit der Kugel der Berstsonde gebracht wird. Aufgezeichnet wird der beim Bersten herrschende Druck.
Die Bahn wurde oben beschrieben als Werkstoff, der durch ein konstant umgerührtes Imprägnierbad mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,91 m/min, das heißt 3 ft/min gelaufen ist, um Gleichmäßigkeit zu garantieren. Die imprägnierte Materialbahn wird unmittelbar anschließend durch einen Heißofen geleitet, um sämtliches oder nahezu sämtliches Lösungsmittel zu beseitigen und wird dann auf eine Rolle aufgewickelt.
Es wurden mehrere Lagen dieses Prepreg-Werkstoffs zwischen Kupferfolie gestapelt und in einer vakuumunterstützten Hydraulikpresse 90 Minuten lang bei einer Temperatur von 220°C einem Druck von 1,41 × 10⁵ kg/m² (200 psi) ausgesetzt und anschließend unter Druck abgekühlt. Das resultierende Dielektrikum zeigte ein gutes Haften an Kupfer, eine Dielektrizitätskonstante (bei 10 GHz) von 3,0 und einen dielektrischen Verlustfaktor von 0,0085 (bei 10 GHz).
Die physikalischen Eigenschaften des teilchenförmigen Füllstoffs beim Beispiel 4 und beim Beispiel 7 werden im folgenden verglichen.
BEISPIEL 6
Eine ePTFE-Matrix, die ein imprägniertes Klebstoff-Füllstoff-Gemisch enthält, basierend auf SiO₂ und hergestellt durch Dampfabbrennen von geschmolzenem Silicium, wird folgendermaßen hergestellt: zunächst werden zwei Vorläufergemische vorbereitet. Das eine hat die Form eines Schlamms, der ein mit Silan behandeltes Silica enthält, ähnlich demjenigen nach Beispiel 5, der andere ist ein nicht katalysiertes Gemisch aus Harz und weiteren Komponenten.
Gemisch I
Der Silica-Schlamm ist ein 50/50-Gemisch aus SO-E2-Silica gemäß Beispiel 5 in MEK, wobei das Silica ein überzogenes Silan enthält, welches 1% des Silicagewichts ausmacht. In einen Behälter mit einem Fassungsvermögen von 181,8 dm³ (5 Gallonen) wurden 7,94 kg (17,5 Pfund) MEK und 79 Gramm Silan gegeben, und die beiden Komponenten wurden gemischt, um eine gleichmäßige Dispersion des Silans in dem MEK zu erreichen. Anschließend wurden 17,5 Pfund Silica nach Beispiel 5 hinzugegeben. Zwei 5-Gallonen-Behälter mit dem MEK-Silica-Silan-Gemisch wurden in ein Reaktionsgefäß eingebracht, und der Inhalt, das heißt der Schlamm, wurde durch einen Ultraschall-Disperger während etwa einer Stunde umgewälzt, um mögliche Silica-Agglomerate aufzubrechen. Der Vorgang wurde abgeschlossen, und der Inhalt des Reaktionsgefäßes wurde etwa 1 Stunde lang auf etwa 80°C erhitzt, wobei die Inhalte kontinuierlich vermischt wurden. Das reagierte Gemisch wurde dann in einen Behälter von 363,1 dm³ (10 Gallonen) eingegeben.
Gemisch II
Das angestrebte Harzgemisch-Produkt ist ein Gemisch auf MEK-Basis, welches ein nicht katalysiertes Harzgemisch (den Klebstoff) mit etwa 60% Feststoffanteilen enthält, wobei der Feststoffanteil ein exaktes Gemisch aus 41,2% cyaniertem Phenolharz PT-30, 39,5% Epoxyharz RSL 1462, 16,7% Flammhemmungsmittel BC58, 1,5% Stabilisator Irganox 1010 und 1% Bisphenol-A-Cokatalysator enthält, sämtliche Angaben in Gewichtsprozent.
In einen Zehn-Gallonen-Behälter wurden 6,71 kg (14,8 Pfund) PT-30 und 6,80 bis 9,01 kg (15–20 Pfund) MEK gegeben und intensiv gerührt, um das PT-30 vollständig aufzulösen. Anschließend wurden 2,72 kg (6 Pfund) BC58 abgemessen und der MEK/PT-30 Lösung hinzugefügt, anschließend zum Auflösen des BC58 intensiv gerührt. Der Stabilisator, 244,5 Gramm Irganox 1010, und 163 Gramm Eisphenol-A wurden zugegeben. Der 10-Gallonen-Behälter wurde erneut gewogen, und es wurden 6,45 kg (14,22 Pfund) RSL 1462 hinzugegeben. Es wurde weiteres MEK hinzugegeben, um das Gewicht des Gemisches auf 21,2 kg (60 Pfund) zu bringen. Dann wurden die Inhaltsstoffe etwa 1 bis 2 Stunden intensiv gerührt, solange, bis die Feststoffanteile sich vollständig aufgelöst hatten.
Das angestrebte Produkt ist ein Gemisch aus mit einem Silan behandeltem Silica, dem nicht katalysierten Harzgemisch und dem MEK, in welchem 48 Gew.-% Feststoffanteile Silica ausmachen und die Gesamtfeststofte zwischen 5% und 50% des Gewichts des Gemisches ausmachen. Die exakte Feststoffkonzentration variiert von Charge zu Charge und hängt teilweise ab von der zu imprägnierenden Membran. Der Katalysatoranteil beträgt 10 ppm in bezug auf die Summe aus PT-30 und RSL 1462.
Die Feststoffanteile der Gemische I und II wurden ermittelt, um die Genauigkeit der Vorläufer zu verifizieren und mögliche Lösungsmitteleinlagen zu kompensieren. Dann wurde das Gemisch I in einen 10-Gallonen-Behälter gegeben, um 5,44 kg (12 Pfund) Feststoffanteile, zum Beispiel 51,5% Feststoffanteile zu erhalten, 10,65 kg (23,48 Pfund) des Gemisches I. Danach wurden dem Behälter von der Mischung II 2,56 kg (5,64 Pfund) Feststoffanteile hinzugegeben, beispielsweise 59,6% Feststoffanteile, das sind 4,29 kg (9,46 Pfund) des Gemisches II. Dem Gemisch aus dem Gemisch I und dem Gemisch II wurde die Mangan-Katalysatorlösung (0,6% in Lackbenzin) in einer Menge von 3,45 Gramm hinzugegeben und intensiv gemischt, um ein Gemisch mit hohem Feststoffanteil zu erhalten.
Das Gemischbad zum Imprägnieren einer ePTFE-Matrix wurde als Gemisch mit 28% Feststoffanteilen hergestellt, indem zu dem Gemisch mit hohen Feststoffanteilen ausreichend MEK hinzugefügt wurde, so daß ein Gesamtgewicht von 28,58 kg (63 Pfund) erhalten wurde.
Danach wurde eine ePTFE-Matrix mit diesem Gemischbad imprägniert, um einen dielektrischen Werkstoff zu erhalten.
BEISPIEL 7
Es wurde eine Feindispersion hergestellt durch Mischen von 26,8 Gramm Ofenruß (Special Schwarz 100, Degussa Corp., Ridgefield Park, New Jersey) und 79 Gramm Haftmittel (Dynaslan GLYMO Cas#2530-83-8; 3-Glycidyloxypropyl-trimethoxysilan (Petrach Systems). Die Dispersion wurde mittels Ultraschall 1 Minute lang durchgerührt, dann in eine Rührdispersion aus 7,93 kg (17,5 Pfund) SiO₂ (SO-E2) in 7,93 kg (17,5 Pfund) MEK gegeben, die zuvor mittels Ultraschall gerührt wurde. Die endgültige Dispersion wurde bei konstanter Overhead-Mischung 1 Stunde lang mit Rückfluß erwärmt, dann auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.
Getrennt davon wurde ein Klebstofflack vorbereitet, indem folgende Mittel zusammengeführt wurden: 3413 Gramm eines Gemisches von 57,5 Gew.-% Primaset PT-30 in MEK, 2456 Gramm eines Gemisches aus 76,8 Gew.-% RSL 1462 in MEK, 1495 Gramm einer Lösung aus 53,2 Gew.-% BC58 (Great Lakes, Inc.) in MEK, 200 Gramm einer Lösung von 23,9 Gew.-% Bisphenol-A (Aldrich Company) in MEK, 71,5 Gramm Irganox 1010, 3,21 Gramm einer Lösung aus 0,6 Gew.-% Mu HEX-CEM (OMG Ltd.) in Lackbenzin und 2,40 kg MEK.
In einen getrennten Behälter wurden 3739 Gramm der oben beschriebenen Dispersion eingegeben, zusammen mit 0,0233 Gramm Ofenruß (Special Schwarz 100, Degussa Corp., Ridgefield Park, New Jersey), 1328 Gramm des oben beschriebenen Klebstofflacks und 17,37 kg (38,3 Pfund) MEK. Dieses Gemisch wurde in ein Imprägnierbad gegossen, und es wurde eine Bahn aus ePTFE mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,914 m/min (3 ft/min) durch das Imprägnierbad geleitet. Diese Dispersion wurde konstant umgerührt, um Gleichförmigkeit zu garantieren. Die imprägnierte Bahn wurde anschließend sofort durch einen erhitzten Ofen geleitet, um das Lösungsmittel oder nahezu sämtliches Lösungsmittel zu beseitigen, anschließend wurde die Bahn auf einer Rolle aufgewickelt.
Von diesem Prepreg-Material wurden mehrere Lagen zwischen Kupferfolie gelegt und in einer vakuumunterstützten Hydraulikpresse 90 Minuten lang bei Temperaturen von 200°C einem Druck von 1,41 × 10⁵ kg/m³ ausgesetzt, anschließend unter Druck abgekühlt. Der so erhaltene dielektrische Werkstoff zeigte gute Haftfähigkeit an Kupfer.
BEISPIEL 8
Es wurde ein Klebstofflack hergestellt durch Zusammenführen folgender Stoffe: 3413 Gramm einer Lösung aus 57,5 Gew.-% Primaset PT-30 (PMN P-88-1591)) in MEK, 2456 Gramm einer Lösung aus 76,8 Gew.-% RSL 1462 in MEK, 1495 Gramm einer Lösung aus 53,2 Gew.-% BC58 (Great Lakes, Inc.) in MEK, 200 Gramm einer Lösung aus 23,9 Gew.-% Eisphenol-A (Aldrich Company) in MEK, 71,5 Gramm Irganox 1010, 3,21 Gramm einer Lösung aus 0,6 Gew.-% Mn HEX-CEM in Lackbenzin, und 2,40 kg MEK.
In einen getrennten Behälter wurden 1328 Gramm des oben beschriebenen Klebstofflacks zusammen mit 19,19 kg (42,3 Pfund) MEK, 6,40 Gramm Ofenruß (Special Schwarz 100, Degussa Corp., Ridgefield, New Jersey) und 1860,9 Gramm SiO₂ (SO-E2) gegeben. Dieses Gemisch wurde in ein Imprägnierbad gegossen, und eine Bahn aus ePTFE wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,914 m/min (3 ft/min) durch das Imprägnierbad geleitet. Die Dispersion wurde konstant gerührt, um Gleichförmigkeit zu garantieren. Die imprägnierte Bahn wurde unmittelbar anschließend durch einen erhitzten Ofen geleitet, um sämtliches oder nahezu sämtliches Lösungsmittel zu beseitigen, anschließend wurde sie auf eine Rolle aufgewickelt.
Von diesem Prepreg-Material wurden mehrere Schichten zwischen Kupferfolie gelegt und in einer vakuumunterstützten Hydraulikpresse 90 Minuten lang bei einer Temperatur von 220°C einem Druck von 1,41 × 10⁵ kg/m² (200 psi) ausgesetzt, anschließend unter Druck abgekühlt. Das erhaltene Dielektrikum zeigte gutes Haften an Kupfer.
Die einen schwachen WAK aufweisende Basis nach 9 wurde hergestellt unter Verwendung des dielektrischen Werkstoffs nach Beispiel 6. Auf jede Seite der Basis wurde ein Kupferkern mit einer Schicht des gefüllten ePTFE nach 9 auflaminiert. Anschließend wurde auf jede freiliegende Seite des Dielektrikums INVAR 36 aufgebracht. Der Verbundstoff wurde zur Bildung der Basiseinheit 31 unter Druck erhitzt.
Wie oben in Verbindung mit den 1 und 2 erläutert wurde, wird für die Komponenten 2 und 9 ein Z-Achsen-Material verwendet. Das selektiv leitende Z-Achsen-Substrat ist wiederverwendbar und nachgiebig. Wie in dem US-Patent 5 498 467 von Meola beschrieben ist, ist das Basissubstrat ein planares, offenzelliges und poröses Material, welches in einer durch eine X- und eine Y-Achse definierten Ebene liegt und Z-Wege aufweist, die sich von der einen Seite des Materials zu dessen anderer Seite hin erstrecken. Wenn das Z-Achsen-Material ein optionales Elastomer enthält, wird es zwischen die Unterseite 12 der Basiseinheit 7 und der Oberseite des Kontaktstücks 9 positioniert. Das selektiv leitende Element 8 mit dem optionalen Elastomer besitzt eine Reihe elektrisch isolierter und unregelmäßig geformter leitender Kanäle, die sich von einer Unterseite des selektiv leitenden Elements zu einer Oberseite des Elements erstrecken, im großen und ganzen in Richtung der Z-Achse. Zwischen der Basiseinheit 7 und dem laminierten Kontaktstück 9 plaziert, koppeln die elektrisch leitenden Pfade oder Kanäle die ersten Anschlüsse 13 der Basiseinheit 7 mit den Kontakt-Pads 20 auf der Oberseite des laminierten Kontaktstücks 9.
Wird das Z-Achsen-Material dazu eingesetzt, das laminierte Kontaktstück 9 zu bilden, wie es im folgenden beschrieben wird, so enthält es einen bindenden Klebstoff, der sich in dem teilweise ausgehärteten, B-Stadium befindet. Weil er allerdings in Berührung mit dem Z-Achsen-Material 8 steht, läßt er sich von diesem leicht lösen und läßt sich wiederverwenden, indem er an einem anderen Kontaktstück 9 angebracht wird.
Geeignete Werkstoffe für das Z-Achsen-Element, das sich sowohl für das Material 8 als auch für das Kontaktstück 9 verwenden läßt, besitzen eine Dicke in der Größenordnung von 5 × 10^–6 m und 5 × 10^–4 m (5 μm und 500 μm), beispielsweise 50 μm, 75 μm, 100 μm, 150 μm etc., und sie enthalten Webstoff oder Vliesstoff, beispielsweise Nylon, Glasfaser oder Polyesterstoff oder Baumwolle, oder dergleichen. Das Element kann auch ein poröses Polymermaterial oder eine Membran sein, die flexibel ist, beispielsweise aus porösen Polyolefinen, zum Beispiel porösem Polyethylen, porösem Polypropylen, porösen Fluorpolymeren oder offenzelligen, porösen Polyurethanen. Darüber hinaus können offenzellige poröse anorganische Werkstoffe verwendet werden, beispielsweise dünne poröse Keramikplättchen, die Poren aufweisen, die sich kontinuierlich von der einen Seite zur anderen Seite hin erstrecken.
Poröse Fluorpolymere beinhalten – ohne Beschränkung – poröses Polytetrafluorethylen (PTFE), poröses und expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE), poröse Copolymere aus Polytetrafluorethylen und Polyester oder Polystyrole, Copolymere aus Tetrafluorethylen und fluoriertes Ethylenpropylen (FEP) oder Perfluoralkoxy-tetrafluorethylen (PFA) mit einer C₁-C₄-Alkoxygruppe. Poröse Werkstoffe enthalten expandiertes Polypropylen, poröses Polyethylen und poröses Polytetrafluorethylen.
Das als Substrat für das Z-Achsen-Material verwendete Material ist expandiertes Polytetrafluorethylen mit einer Mikrostruktur aus untereinander durch Fibrillen verbundenen Knötchen, mit einem Hohlraumvolumen von etwa 20% bis 90%, zum Beispiel das Material, welches hergestellt wird nach der Lehre des US-Patents 3 953 566, hier durch Bezugnahme inkorporiert und dem Beispiel des ePTFE nach 11 entsprechend.
Als das Z-Achsen-Substrat verwendeter Werkstoff wird ein planares poröses Material verwendet, das eine Dicke zwischen etwa 5 und 125 μm aufweist, wobei allerdings die Dicke kein kritischer Faktor ist, solange die Ultraviolett-Festigkeit zur Bildung der leitenden Pfade die Probe durchdringen kann.
Bezugnehmend auf die 10 bis 13 sind, wenn das Material zur Bildung des Z-Achsen-Elements mikroporöses PTFE ist (expandiertes Polytetrafluorethylen), die Poren 49 definiert als der Raum zwischen durch Fibrillen 51 untereinander verbundenen Knötchen 50, wie in 10 zu sehen ist. In diesem Fall hat die innere Struktur der durch Fibrillen 51 untereinander verbundenen Knötchen 50 eine Materialdichte, die zu einem unregelmäßigen durchgängigen Pfad 52 entlang der Z-Achse in einem vertikal definierten Querschnitt auf der Z-Achse von einer Seite des planaren Elements zu dessen anderer Seite hin führt (vergleiche 13).
Das selektiv leitende Element 53 (13) wird hergestellt durch Schaffung von Bereichen 32 (12) durch die Z-Achsenrichtung zwecks Aufnahme von niedergeschlagenem Metallsalz, wobei das Metallsalz bei Bestrahlung mit Strahlungsenergie in nicht-leitende Metallkerne umgewandelt wird, die dann die Wirkung haben, als Katalysator beim Niederschlagen eines leitenden Metalls aus einer stromfreien Metall-Niederschlagslösung zu fungieren. Die Poren 49 eines in oben definierter Weise ausgebildeten porösen Elements werden zunächst mit einem Benetzungsmittel benetzt, beispielsweise mit Alkohol, oder mit einem organischen wäßrigen Tensid. Hierzu kann man Methanol, Propanol, Tetrafluorethylen/Vinyl-Alkohol-Copolymere oder dergleichen verwenden. Das Benetzungsmittel hat die Wirkung, daß das Material des Elements empfänglich ist für leitende Metalle wie beispielsweise Nickel oder Kupfer.
Eine strahlungsempfindliche Metallsalzzusammensetzung ist eine flüssige strahlungsempfindliche Zusammensetzung, umfassend eine Lösung aus einem lichtempfindlichen reduzierenden Mittel, einem Metallsalz, einer Halogenidionen-Quelle und einem zweiten Reduktionsmittel. Vorzugsweise enthält die strahlungsempfindliche Lösung Wasser, das Metallsalz, ein lichtempfindliches Reduktionsmittel, ein zweites Reduktionsmittel und optional (für schwer zu benetzende Flächen) ein Tensid. Das Metallsalz enthält – ohne Beschränkung – Kupferacetat, Kupferformat, Kupferbromid, Kupfersulfat, Kupferchlorid, Nickelchlorid, Nickelsulfat, Nickelbromid, eisenhaltige Verbindungen wie zum Beispiel Ferrosulfat, Ferrochlorid und Edelmetalle wie Palladium, Platin, Silber, Gold und Rhodium.
Geeignete lichtempfindliche Reduktionsmittel sind aromatische Diazoverbindungen, Ionensalze, beispielsweise Ferro- oder Ferrioxalat, Ferriammoniumsulfat, Dichromate, beispielsweise Ammoniumdichromat, Anthrachinon-Disulfonsäuren oder deren Salze, Glycin (speziell aktiv bei feuchten Oberflächenbedingungen), L-Ascorbinsäure, Azidverbindungen und dergleichen sowie Metall-Beschleuniger, beispielsweise Zinnverbindungen, beispielsweise Stannochlorid oder Verbindungen aus Silber, Palladium, Gold, Quecksilber, Cobalt, Nickel, Zink, Eisen etc., wobei letztere Gruppe optional in einer Menge von 1 mg bis 2 Gramm pro Liter zugegeben werden.
Die zweiten Reduktionsmittel enthalten – ohne Beschränkung – Polyhydroxy-Alkohole wie zum Beispiel Glycerol, Ethylenglycol, Pentaenhritol, Mesoenthritol, 1,3-Propandiol, Sorbitol, Mannitol, Propylenglycol, 1,2-Butandiol, Pinacol, Sucrose, Dextrin und Verbindungen wie Triethanolamin, Propylenoxid, Polyethylenglycole, Lactose, Stärke, Ethylenoxid und Gelatine. Verbindungen, die ebenfalls als zweite Reduktionsmittel einsetzbar sind, sind Aldehyde wie zum Beispiel Formaldehyd, Benzaldehyd, Acetaldehyd, n-Butyraldehyd, Polyamide, wie zum Beispiel Nylon, Albumin und Gelatine; Leucobasen von Triphenylmethan-Farbstoffen wie zum Beispiel 4-Dimethylaminotriphenylmethan, 4',4',4''-Tri-di-methylamintriphenylmethan; Leucobasen von Xanthen- Farbstoffen wie zum Beispiel 3,6-Bis-dimethylaminxanthen und 3,6-Bis-dimethylamin-9-(2-carboxyethyl)xanthen; Polyether wie zum Beispiel Ethylenglycol-diethylether, Diethylenglycol, Diethylather-tetraethylenglycol-dimethylether und dergleichen.
Ein zweites Reduktionsmittel, welches ebenfalls benetzend wirkt, zum Beispiel Sorbitol, ist allgemein als Bestandteil der Behandlungslösung bevorzugt für die Benetzungseigenschaft, offensichtlich aufgrund eines Befeuchtungseffekts der "trockenen" Beschichtung vor dem Entwickeln. Das Material ist eine wesentliche Hilfe bei der Erhaltung der Dichte des Metallüberzugs des inneren Werkstoffs des Elements während der Entwicklung, in deren Verlauf jede nicht umgewandelte, strahlungsempfindliche Zusammensetzung in dem Überzug von der Basis abgespült wird.
Unter geeigneten Tensiden befinden sich nicht-ionische Polyethenoxy-Ether wie zum Beispiel Triton X-100, hergestellt von Rohm & Haas Co., sowie nichtionische Tenside auf der Basis der Reaktion zwischen Nonylphenol und Glycidol, beispielsweise die Tenside 6G und 10G der Firma Olin Mathieson Company.
Diese Behandlungslösung, beispielsweise die strahlungsempfindliche Zusammensetzung, enthält ein Acidifierungsmittel in Form eines Säuresalzes zum Einstellen des pH-Werts der wäßrigen Lösung auf üblicherweise zwischen etwa 2,0 und 4,0 (vorzugsweise 2,5 bis 3,8), und eine geringe Menge Halogenid-Ionen (Iodid-, Bromid- oder Chloridionen), sodaß eine Kombination von Additiven einen überraschenden Effekt in Form einer wesentlichen Intensivierung der Dichte des Überzugs verschafft, der anschließend gebildet wird durch Belichten des behandelten Flachstückmaterials mit Strahlungsenergie. Das Einstellen des Säuregrads erfordert nicht immer die Zugabe eines Mittels zu diesem Zweck allein, da die Einstellung möglicherweise auch vollständig oder teilweise erreicht werden kann mit Hilfe einer sauren Substanz, die auch andere Funktionen besitzt, beispielsweise mit Hilfe eines die Lichtempfindlichkeit verringernden Mittels saurer Beschaffenheit (beispielsweise Ascorbinsäure, Glycerin etc.), oder mit Hilfe einiger Additive zum Einbringen von Halogenid-Ionen (beispielsweise Salzsäure). In ähnlicher Weise können einige oder sämtliche Halogenid-Ionen in Form von Komponenten des reduzierbaren Metallsalzes eingebracht werden (beispielsweise Kupferdichlorid).
Unter den zahlreichen geeigneten sauren Substanzen, die bei der Beherrschung oder Einstellung des pH-Werts der sensibel machenden Lösung verwendet werden können, finden sich Fluorborsäure, Zitronensäure, Milchsäure, Phosphorsäure, Schwefelsäure, Essigsäure, Ameisensäure, Borsäure, Salzsäure, Salpetersäure und dergleichen. Ein großer Bereich von Brom-, Chlor- und Iodsalz und weitere Halogenid-erzeugende, wasserlösliche Verbindungen können dazu dienen, einen Teil oder sämtliches von dem angestrebten Halogenid-Ionenanteil der Behandlungslösung zu bilden. Darunter finden sich unter anderem Metallsalze allgemein und diese Halogene wie zum Beispiel Kupferdibromid, Nickelchlorid, Cobaltchlorid, Kupferdichlorid, Natriumiodid, Kaliumiodid, Lithiumchlorid, Magnesiumiodid, Magnesiumbromid, Natriumbromid, Kaliumbromid und dergleichen. Bromsalze eignen sich deshalb, weil sie ein höheres Maß an Empfindlichkeit hervorrufen (das heißt dunklere und dichtere Niederschläge) auf dem Substrat als das entsprechende Chlorid, zumindest in einigen Fällen.
Die Halogenid-Ionen bilden nur einen minderen Anteil an der Lösung und können typischerweise im Bereich von 0,045 bis 1,6%, vorzugsweise etwa 0,13 bis 0,45% betragen, bezogen auf das Gesamtgewicht der gelösten Feststoffe. Die Menge Halogenid kann zwischen etwa 0,9 und 25 Milli-Äquivalent Halogen pro Liter der sensibel machenden Lösung ausmachen, vorzugsweise etwa 2,5 bis 9 Milli-Äquivalent, beispielsweise 0,3 bis 1,0 g/l für Kupferdibromid. Eine Steigerung der Anteile der Halogenid-Ionen ist üblicherweise unerwünscht, da hierdurch allmählich der sensibilisierende Effekt der Behandlung unter den Wert absinkt, der mit einer optimalen Menge erzielbar ist. Außerdem ist der als äquivalente ausgedrückte Anteil dieser Halogenid-Ionen kleiner als derjenige der Kupfer- oder anderen reduzierbaren nicht-edlen Metall-Kationen in der Behandlungslösung. Beispielsweise liegt das Verhältnis der Äquivalente derartiger Metallionen zu den Halogenid-Ionen üblicherweise im Bereich von mindestens 2 : 1 und vorzugsweise etwa 4 : 1 bis 100 : 1.
Die strahlungsempfindliche Zusammensetzung wird derart auf das Material aufgetragen, daß dieses intensiv benetzt wird, um die Poren zu definieren, wodurch das poröse Element der strahlungsempfindlichen Zusammensetzung über eine Zeit hinweg ausgesetzt wird, die ausreicht, damit die Zusammensetzung in die Poren eindringt bzw. durch die Poren des Materials hindurchdringt und das Innere der Poren entlang dem Material beschichtet, welches die Poren bildet, und zwar von einer Seite des porösen Flachstückmaterials zu dessen anderer Seite hin. Danach wird das überzogene poröse Teil durch Lufttrocknung oder Backen in einem Ofen unterhalb von 50°C getrocknet. In diesem Stadium sollte das Material unter Gelblichtbedingungen bearbeitet werden, um die lichtempfindliche Beschaffenheit der Behandlungs-Zusammensetzungen zu erhalten. Das Bauteil sollte auch auf einer Temperatur unterhalb von 70°F und nicht mehr als 60% relativer Luftfeuchtigkeit gehalten werden, bedingt durch die mögliche Absorption von Wasser durch das Material des Bauteils, was abträglichen Einfluß auf die Verarbeitung haben kann.
Die Oberfläche auf einer Seite des beschichteten porösen Bauteils wird mit einer opaken Abdeckung 55 in ausgewählten Bereichen maskiert, so daß die anschließende Bestrahlung die abgedeckten Bereiche nicht trifft. Die Maskierung kann zu punktförmigen leitenden Bereichen beliebiger Form und Größe in Form von einem Feld oder in Form abwechselnder Bänder oder Streifen leitender Bereiche in Richtung der Z-Achse führen, getrennt durch abwechselnde Bänder aus nicht-leitfähigen Bereichen (elektrisch isolierenden Bereichen), um als elektrischer Verbinder zu fungieren. Die Punkte oder Flecken sind üblicherweise kreisförmig, können aber auch andere geometrische Gestalten haben, beispielsweise Quadrate, Rechtecke etc. Die Fleckgröße kann von bis hinunter zu 2,54 × 10^–3 mm (0,0001 Zoll) bis hin zu 0,635 mm (0,025 Zoll) reichen, vorzugsweise 0,0254 mm (0,001 Zoll), 0,0508 mm (0,002 Zoll), 0,0762 mm (0,003 Zoll), 0,1018 mm (0,004 Zoll), 0,1210 mm (0,005 Zoll), 0,2032 mm (0,008 Zoll), 0,2286 mm (0,009 Zoll) oder einem Bruchteil davon, wobei der Mittenabstand, definiert als der Abstand zwischen den Zentren benachbarter Flecken, vorzugsweise mindestens doppelt so groß ist wie die Bemessung der Punkte, beispielsweise 0,0254 mm (1 mil) Fleckgröße und 0,0508 mm (2 mil) Mittenabstand.
Das maskierte Teil nach 11 wird Strahlung ausgesetzt, beispielsweise Licht, Elektronenstrahlen, Röntgenstrahlen oder dergleichen, vorzugsweise aber Ultraviolettstrahlung, und zwar über eine Zeitspanne und mit ausreichender Leistung, um die metallischen Kationen in dem Metallsalz über die gesamte Dicke des Bauteils hinweg zu Metallkernen zu reduzieren. Das Teil wird dann demaskiert und gespült mit einer sauren oder basischen Spüllösung, um die strahlungsempfindliche Zusammensetzung abzuspülen, die von der opaken Abdeckung geschützt war. Die saure oder basische Spüllösung (oder Fixierlösung) hat keinen abträglichen Einfluß auf diejenigen Bereiche, in denen die Strahlung die Metall-Kationen zu Metallkernen reduziert hat, wenn die Lösung nicht in bleibender Berührung mit den Bereichen für mehr als einige Minuten gehalten wird, beispielsweise 5 Minuten oder weniger.
Insbesondere wird das behandelte Bauteil selektiv mit einer Metallmaske, einer Schicht aus Diazo- oder Silberhalogenid maskiert, wie in 11 gezeigt ist. Das maskierte Bauelement wird dann photographisch mit einem Bild versehen, entweder mit Hilfe einer nicht-kollimierten oder einer kollimierten Ultraviolett lichtquelle mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm. Der Katalysator, das heißt die nicht-leitenden Metallkerne, erfordert selbst ein Minimum an 200 Millijoule Strahlungsenergie, um ein stabiles Photobild zu erhalten.
Die UV-Licht-Quelle ist stark genug, um die Dicke des porösen Bauteils zu durchdringen. Bei anschließenden Plattierungsvorgängen gelangt das leitende Metall folglich kontinuierlich durch die Z-Achse und schafft elektrische Leitfähigkeit in Richtung der Z-Achse. Nach Wunsch kann die UV-Licht-Energie auf beide Seiten des planaren Bauteils aufgebracht werden.
Nach einer fünfminütigen Normalisierungszeitspanne wird das katalysierte Material für eine kurze Zeitdauer von 30 bis 90 Sekunden in einer Schwefelsäurelösung gespült, zum Beispiel einer Lösung aus 8 Gew.-% Schwefelsäure und 92 Gew.-% deionisiertem Wasser, oder einer alkalischen Lösung aus 40 g/l Ethylendiamin-Tetraacetalsäure, 100 ml/l Formaldehyd, eingestellt auf einen pH-Wert von 10 mit Hilfe von Natriumhydroxid. Der Zweck dieses Spülvorgangs ist es, den nicht exponierten Katalysator von dem Material zu entfernen und dabei das photo-reduzierte Bild zu erhalten.
Das das selektive Bild enthaltende gespülte Material wird sodann mit einer reaktiven Metallkationen-Ersatzlösung stabilisiert. Die geeignete Lösung ist:
Das Bild wird einer Austauschreaktion des Kupfers durch stabilere Kationen, beispielsweise Palladium, unterzogen. Ein stabileres System ist deshalb erstrebenswert, weil die Neigung des Kupfers zum Oxidieren bei einer derart dünnen Schicht zum Ausdruck kommt, und weil das Palladium rascher die Reduktionsreaktion in dem stromlosen Bad einleiten kann. Das Bauteil wird mindestens 30 Sekunden lang in dieser Lösung gehalten und wird anschließend 1 Minute lang mit deionisiertem Wasser gespült.
Das katalysierte Bauteil wird selektiv stromlos mit einem oder mehreren leitenden Metall bis hin zu einer Niederschlagungsdicke von etwa 1,27 × 10^–3 mm bis 1,52 × 10^–3 mm (50 bis 60 Mikrozoll) überzogen. Geeignete Metalle enthalten Kupfer, Nickel, Gold, Silber, Platin, Cobalt, Palladium, Rhodium, Aluminium und Chrom. Während der Zeit des stromfreien Bads wird das Bauteil durch Schwenken gerührt, um die Diffusion des Metalls in die innerste Zone des Substrats zu fördern. Das Plattieren erfolgt, indem zunächst in deionisiertem Wasser gespült wird, dann in einem stromfreien Kupferbad über eine Zeitspanne hinweg eingetaucht wird, die ausreicht, um Kupfer in dem Material über dem Palladium und über die gesamte Substratstärke hinweg niederzuschlagen. Innerhalb ausgewählter Bereiche des Materials in Richtung der Z-Achse werden hierdurch Materialknötchen 50 und Fibrillen 51 zumindest teilweise mit einer leitenden Metallschicht 56 bedeckt, die einen Z-Achsen-Bereich 57 sowie einen oberen und einen unteren Kontakt-Pad 58 und 59 aufweist, vergleiche 13. Damit bildet das leitende Metall 56 einen kontinuierlichen Leitungspfad 24 durch ausgewählte Bereiche zwischen den oberen und den unteren Pads 58 und 59.
Wenn das Z-Achsen-Material als Element 8 verwendet werden soll, kann ihm ein Elastomer 60 eingebettet werden, welches die zuvor festgelegten Poren 49 ausfüllt. Das Elastomer kann jeden Werkstoff umfassen, der elastomere Eigenschaften aufweist, so zum Beispiel – ohne Beschränkung – Elastomere auf Siloxan-Basis (Siliciumbasis), Acryle, Butylgummis, chlorsulfoniertes Polyethylen, Ethlyenpropylengummi, fluorierte Elastomere sowie thermoplastische Gummis, darunter Polystyrole, Polyethylene, Neoprene und Polybutadien. Vor zugsweise ist das Elastomer Dow Corning^®-3-1753, welches in der ausgelieferten Form eine durchscheinende Flüssigkeit mit einem Gebrauchsbereich von –55°C bis 200°C besitzt und bei 25°C ein spezifisches Gewicht von 0,98 und eine Viskosität von 385 × 10^–3 Pa·s (385 cps) bei 25°C aufweist. Die konforme Beschichtung mit Dow Corning^®-3-1753 härtet aus zu einem Silikonelastomer, welches nicht schmilzt oder in nennenswerter Weise erweicht. Andere Elastomere sind Dow Corning^®-3-1765, welches in seiner Lieferform durchscheinend ist und bei 25°C ein spezifisches Gewicht von 0,98 und eine Viskosität von 230 × 10^–3 Pa·s (230 cps) hat, und Dow Corning^®-1-1405, was ein durchscheinender Stoff ist und bei 35°C ein spezifisches Gewicht von 0,98 und eine Viskosität von 450 × 10^–3 Pa·s (450 cps) besitzt.
Eine Aufnahme- oder Aufsauglösung wird hergestellt aus nicht-klebenden Silikonelastomeren wie zum Beispiel Dow Corning^®-3-1753, 1-1405 und PSA 595, ein Silikon der Firma General Electric, und zwar in einem geeigneten Lösungsmittel wie Octamethyltrisiloxan (05-20), Methyldimethylformamat (DMF), Tetrahydrofuran (THF), Lackbenzine, niedere Alkohole wie zum Beispiel C₁-C₆-Alkohole, vorzugsweise Isopropanol, und Keton-Lösungsmittel von Dow Corning, wobei das Elastomer 10 bis 70 Gew.-% der Lösung enthält. Das Elastomer wird in dem Lösungsmittel kräftig durchmischt und aufgelöst, um eine Elastomerlösung zu bilden, wozu Rühr- und ähnliche Mischmethoden eingesetzt werden. Die Elastomerlösung wird in einen Tank oder ein anderes geeignetes Gefäß eingefüllt, und das selektiv leitende Z-Achsen-Material wird dann in die Elastomerlösung eingetaucht, um die Lösung in den Materialporen aufzunehmen oder aufzusaugen oder zu imprägnieren. Das Eintauchen kann durch Dippen geschehen. Obschon das Dippen eine Imprägniermethode darstellt, kann man auch von anderen Verfahren Gebrauch machen, mit deren Hilfe das Z-Achsen-Material mit der Elastomerlösung imprägniert werden kann, beispielsweise dem Aufsprühen unter Druck.
Das die Elastomerlösung enthaltende Z-Achsen-Material wird in ein Trocknungsgestell eingebracht, um für 2 bis 15 Minuten mit Luft getrocknet zu werden, vorzugsweise während 5 bis 10 Minuten, am meisten bevorzugt während 5 Minuten. Die Trocknungszeit wird gesteuert durch die Porengröße, die Materialdicke und die Menge des Lösungsmittels. Längere oder kürzere Zeitspannen der Lufttrocknung können notwendig sein, wenn dickere Z-Achsen-Materialien in Luft zu trocknen sind oder größere Lösungsmittelmengen vorhanden sind. Anschließend wird das das luftgetrocknete Z-Achsen-Material mit der Imprägnierung enthaltende Gestell in einen aufgeheizten Ofen gebracht, der auf einer Temperatur zwischen etwa 95°C und 145°C, vorzugsweise etwa 120°C gehalten wird, und zwar während einer Zeitspanne zwischen 10 und 70 Minuten, vorzugsweise 30 Minuten, um das Lösungsmittel zu entfernen. Es erfolgt ein Trocknen und Erhitzen solange, bis der Restlösungsmittelanteil auf weniger als etwa 1,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 Gew.-%, reduziert ist.
Wenn andererseits das Z-Achsen-Material für das laminierte Kontaktstück 9 zu verwenden ist, so wird es mit einem bindenden Klebemittel vollgesaugt. Die Kanäle des Z-Achsen-Materials lassen sich dann mit einem Klebstoff füllen, wenn das Material als Verbinder-Schnittstelle zwischen zwei weiteren leitenden Materialien eingesetzt werden soll. Geeignete Klebstoffe beinhalten Epoxidharz, Acrylharz, Urethanharz, Silikonharz, Polyimidharz, Cyanatester-Harz oder dergleichen. Der Klebstoff wird zweckmäßiger Weise dadurch in die Poren eingebracht, daß das Teil in eine Lösung des Klebstoffs eingetaucht wird. Bei einem Epoxidharz eignet sich als Lösungsmittel Methylethylketon. Nachdem der Klebstoff in das Z-Achsen-Material eingesaugt oder eingebracht ist, damit das Material Bindefähigkeit erlangt, wird es bei 160°C gebacken, was den Klebstoff teilweise aushärtet.
BEISPIELE FÜR Z-ACHSEN-MATERIALIEN
Bei den folgenden Beispielen wurde die verwendete katalytische Behandlungslösung hergestellt durch Zugabe von einem Liter deionsierten Wassers:
Die verwendete Fixierlösung bestand aus 8 Gew.-% Schwefelsäure und 92 Gew.-% destilliertem Wasser. Außerdem wurde eine Stabilisierlösung verwendet, die folgende Bestandteile enthielt:
Beispiel 9
Wie in dem '467-Patent gelehrt wird, wurde eine von der Firma W. L. Gore & Associates bezogene Membran aus gerecktem, porösem Polytetrafluorethylen mit einem Benetzungsmittel behandelt, indem die Membran in eine Lösung aus 75% Methanol, 25% Ethanol und 1 Gew.-% Copolymer von Tetrafluorethylen und Vinylalkohol bei Zimmertemperatur etwa 30 Sekunden lang eingetaucht wurde.
Die benetzte Membran wurde dann 60 Sekunden lang in die katalytische Behandlungslösung eingetaucht und anschließend 3 Minuten lang in einem Ofen bei 50°C getrocknet. Eine Oberfläche der Membran wurde anschließend mit Flecken eines Diazo-Films eines Durchmessers von 0,15 mm (6 mil) und eines Mittenabstands von 0,30 mm (12 mil) maskiert.
Anschließend wurde die Membran mit einer kollimierten UV-Licht-Quelle 2 Minuten lang mit 1600 Millijoule belichtet. Nach einer fünfminütigen Ausgleichszeitspanne wurde die UV-behandelte Membran 30 Sekunden lang in der Fixierlösung gespült, um die nicht belichtete katalytische Behandlungslösung zu entfernen. Die selektiv mit einem Bild versehene Membran wurde dann stabilisiert durch Eintunken in die Stabilisierlösung während 1 Minuten und anschließendes Spülen während 1 Minute in destilliertem Wasser.
Die stabilisierte Membran wurde dann in ein Verkupferungsbad auf einer Pro-Liter-DI-Wasser-Basis (Shipleys 3) eingetaucht.
Die Membran wurde in dem Bad mit einem Rührstab 7 1/2 Minuten lang bewegt, um das Diffundieren von Kupfer durch die Poren der Membran in dem katalysierten Bereich über die Z-Achse hinweg zu fördern.
Beispiel 10
Wie in dem '467-Patent gelehrt ist, wurde eine 6 mil (150 Mikrometer) dicke Membran aus gerecktem, porösem Polytetrafluorethylen einer Benetzung unterzogen, indem sie 1 Minute lang in Propanol eingetaucht wurde. Anschlie ßend wurde sie 1 Minute lang in die katalytische Behandlungslösung eingetaucht, getrocknet, maskiert und mit UV-Licht belichtet und anschließend wie im Beispiel 9 der Fixier- und der Stabilisierlösung ausgesetzt. Das Z-Achsen-Material wurde wie im Beispiel 9 mit Kupfer plattiert und wie im Beispiel 9 mit Kupfer überzogen.
Beispiel 11
Eine 2 mil dicke Membran aus gerecktem, porösem Polytetrafluorethylen wurde wie im Beispiel 9 hergestellt, nur daß die Maskierstreifen 0,076 mm (2 mil) bei einem Mittenabstand von 0,254 mm (10 mil) groß waren.
Beispiele 12–14
Die Prozedur gemäß Beispiel 9 wurde ausgeführt für Membranen aus porösem Polyethylen, porösem Polypropylen und offenzelligen, porösen Polyurethanen, um ein Z-Achsen-Material herzustellen, welches unregelmäßig geformte leitende Pfade hatte, die sich entlang der Z-Achse erstrecken.
SELEKTIV LEITENDE ELASTOMER-Z-ACHSEN-MATERIAL
Beispiel 15
Das Z-Achsen-Material nach Beispiel 9 wurde mit folgender Lösung imprägniert:
Hierzu wurde die Lösung in einen Tank gefüllt und das Z-Achsen-Material, gehalten von einem Rahmen, wurde in die Lösung eingetaucht. Das imprägnierte Z-Achsen-Material wurde 5 Minuten lang in einem Trocknungsgestell in Luft getrocknet. Das Trocknungsgestell wurde zur Beseitigung von Lösungsmittel 30 Minuten lang in einem auf 120°C aufgeheizten Ofen eingebracht.
Bei den nachstehenden Beispielen 16 bis 20 wird das Z-Achsen-Material mit einem Silikonelastomer imprägniert. Allerdings wird das Z-Achsen-Material auch ohne das Elastomer verwendet.
Beispiel 16
Eine aus einer Membrane aus gerecktem porösem Polytetrafluorethylen mit einer Knötchen-Fibrillen-Struktur nach 17 (1000-fache Vergrößerung) ist 76 μm dick und hat eine Dichte von 0,22 g/cm³ bei einem Luftvolumen von 70 bei 25°C, beziehbar ist sie von W. L. Gore & Associates. Die Membran wurde vorbereitet wie beim Beispiel 1, um eine Z-Achsen-Membran zu erhalten, nur daß die Maskierstreifen in Form eines 0,051 mm (2 mil) großen Pads mit einem Mittenabstand von 0,127 mm (5 mil) ausgebildet waren. Die Z-Achsen-Membran wurde mit einer Silikonlösung imprägniert, die 20% Silikon Dow Corning^®-3-1753 enthielt.
Beispiel 17
Es wurde eine Membran aus Polytetrafluorethylen ähnlich dem Beispiel 16 mit einer in 14 gezeigten Knötchen-Fibrillen-Struktur (1000-fache Vergrößerung) wie im Beispiel 1 zur Herstellung einer Z-Achsen-Membran gebildet, nur daß die Maskierstreifen eine Größe von 0,203 mm (8 mil) bei einem Mittenabstand von 0,381 mm (15 mil) hatten. Die Z-Achsen-Membran wurde mit einer Silikonlösung imprägniert, die 30% Silikon Dow Corning^®-3-1753 enthielt.
Beispiel 18
Zur Bildung einer Z-Achsen-Membran wurde wie im Beispiel 1 eine Membran aus gerecktem porösem Polytetrafluorethylen mit einer in 15 gezeigten Knötchen-Fibrillen-Struktur (1500-fache Verstärkung) mit einer Stärke von 40 μm und einer Dichte von 0,4 g/cm³ und einem Luftvolumen von 20% bei 25°C, beziehbar von W. L. Gore & Associates, hergestellt, nur daß hier die Maskierstreifen eine Größe von 0,203 mm (8 mil) bei einem Mittenabstand von 0,381 mm (15 mil) hatten. Die Z-Achsen-Membran wurde mit einer Silikonlösung imprägniert, die 30% Silikon Dow Corning^®-3-1753 enthielt.
Beispiel 19
Es wurde eine Membran aus gerecktem, porösem Polytetrafluorethylen mit der in 16 (1000-fache Vergrößerung) gezeigten Knötchen-Fibrillen-Struktur in einer Stärke von 100 μm bei einer Dichte von 0,35 g/cm³ und einem Luftvolumen von 70% bei 25°C, beziehbar von W. L. Gore & Associates, wie im Beispiel 1 hergestellt, um eine Z-Achsen-Membran zu erhalten, nur daß hier die Maskierstreifen eine Größe von 0,203 mm (8 mil) bei einem Mittenabstand von 0,381 mm (15 mil) besaßen. Die Z-Achsen-Membran wurde mit einer Silikonlösung imprägniert, die 30% Silikon Dow Corning^®-3-1753 enthielt.
Beispiel 20
Es wurde Membran aus gerecktem, porösem Polytetrafluorethylen mit der in 17 (1000-fache Vergrößerung) dargestellten Knötchen-Fibrillen-Struktur mit einer Stärke von 150 μm, einer Dichte von 0,20 g/cm³ und einem Luftvolumen von 70% bei 25°C, beziehbar von W. L. Gore & Associates, wie im Beispiel 1 zur Bildung einer Z-Achsen-Membran hergestellt, nur daß hier die Maskierstreifen 0,203 mm (8 mil) bei einem Mittenabstand von 0,381 mm (15 mil) groß waren. Die Z-Achsen-Membran wurde mit einer Silikonlösung imprägniert, die 30% Silikon Dow Corning^®-3-1765 enthielt.
Beispiele 21–23
Die Z-Achsen-Substratmembran der obigen Beispiele 9 bis 11 wurde mit einem Epoxidkleber imprägniert, um die Bindefähigkeit zu verbessern, und wurde bei 160°C gebacken.
Beispiele 24–29
Die Z-Achsen-Materialien der Beispiele 15 bis 20, welche die Matrix für das Elastomer bilden, werden in ihrem nicht imprägnierten Zustand mit einem Epoxid-Klebstoffharz in Berührung gebracht und zur Bildung eines Z-Achsen-Klebstoffs auf 160°C erhitzt.
18 und 19 sind Rasterelektronen-Mikroaufnahmen eines 0,203 mm (8 mil) großen Pads sowie von 0,203 mm (8 mil) großen Pads mit einem Mittenabstand von 0,381 mm (15 mil).
LAMINIERTES KONTAKTSTÜCK
Das laminierte Waferebenen-Kontaktflachstück (Kontaktstück) 9 wird anhand der 20 bis 34 beschrieben. Es besitzt eine Oberseite 8 mit Kontakt-Pads (34), die in einem den ersten Anschlüssen 13 der Basiseinheit entsprechenden Muster angeordnet sind und außerdem leitende Metallerhebungen auf einer Unterseite. Jedes der Kontakt-Pads ist elektrisch mit den leitenden Erhebungen auf der Unterseite des laminierten Kontaktstücks 9 gekoppelt. Wenn die Burn-In-Vorrichtung in Betrieb ist, kontaktieren die leitenden Erhebungen die Kontakt-Pads des geprüften Wafers.
Wie aus 34 hervorgeht, enthält das laminierte Kontaktstück erste Schichten 61 und zweite Schichten 62. Die erste Schicht 61 ist aus einem dielektrischen Werkstoff 63 gebildet, wobei mindestens eine leitende Bohrung 64 in einer Oberfläche 65 mit einem leitenden Pad 66 auf der anderen Seite verbunden ist. Diese Schichten bilden das Substrat zur Bildung eines Teils des Kontaktstücks. Die erste Schicht 61 ist ein Substrat 67, vorzugsweise aus Goreflex^®, beziehbar von W. L. Gore & Associates, Inc. Anstatt Goreflex^® kann ein Dielektrikum 63 aus Speedboard C^© oder ein Klebstoff-Füllstoff-ePTFE-Komposit mit einer Kupferkaschierung verwendet werden.
Die zweite Schicht 32 wird gebildet aus einem porösen Z-Achsen-Material mit einer Reihe elektrisch isolierter unregelmäßig geformter und leitender Z-Ach sen-Pfade mit einer Erhebung oder einem Kontakt aus leitendem Metall auf der Unterseite der zweiten Schicht. Die leitende Erhebung 67 ist mit den leitenden Pads 66 der ersten Schicht 61 über eine Blindbohrung 64 und die unregelmäßig geformten, leitenden Z-Pfade in dem das Z-Achsen-Material enthaltenden Klebstoff gebildet.
Wie in den 20 bis 34 zu erkennen ist, wird das laminierte Kontaktstück nach 34 hergestellt aus einem ersten und einem zweiten dielektrischen Laminat-Substrat 67 und 68 gemäß den 20 bzw. 24. Jedes Dielektrikum ist mit einer oberen und einer unteren Kupferschicht kaschiert (20).
Das Substrat 67 enthält eine leitende Schicht 69 (zum Beispiel aus Kupfer), eine dielektrische Schicht 70 aus Speedboard C^® oder einem KlebstoffpastenePTFE-Verbundstoff, und eine leitende Schicht 71 (zum Beispiel aus Kupfer). Die dielektrische Schicht 70 sollte kein Material enthalten, welches widerstandsfähig gegen Ätzen durch Laserbehandlung oder Plasmabehandlung ist, beispielsweise eine glasverstärkte dielektrische Schicht. Geeignete Dielektrika beinhalten – ohne Beschränkung – Polyimide und Polyimid-Laminate, Epoxidharze, organische Werkstoffe oder dielektrische Werkstoffe, die mindestens zum Teil Polytetrafluorethylen beinhalten. Ein dielektrischer Werkstoff kann bezogen werden von W. L. Gore & Associates, Inc. unter der Handelsbezeichnung SPEEDBOARD^®, ein dielektrischer Werkstoff oder man kann die oben beschriebene mit Klebstoff-SiO₂ gefüllten porösen Substrate verwenden.
Wichtig ist die Dicke der dielektrischen Schicht 70. Diese Dicke definiert die Höhe der resultierenden Metallkontakte. Auf die Kupferschichten 69 und 71 wird ein Photoresist aufgetragen und dort zu einem Bild geformt, wo eine Mulde, beispielsweise eine Vertiefung oder eine Bohrung, auszubilden ist. In einem belichteten (zum Bild gemachten) Bereich (nicht dargestellt) wird Kupfer durch ein geeignetes herkömmliches Kupfer-Ätzmittel weggeätzt, beispielsweise mit Hilfe einer Ätzlösung aus Kupferdichlorid. Nachdem das Kupfer in dem belichteten Bereich weggeätzt ist, ist ein Teil der dielektrischen Schicht 70 erkennbar. Das Photoresist kann dann von dem Substrat entfernt werden.
Der freiliegende dielektrische Bereich wird mit einem Laser abgetragen, um eine "Mulde" 72 zu bilden, in die ein metallischer Kontakt eingebracht wird ( 21). Es versteht sich, daß die Kupferschicht 69 als Maske fungiert, so daß ein Abtrag des freiliegenden dielektrischen Bereichs 70 möglich ist. Dabei fungiert die Kupferschicht 71 als Stoppen und definiert den Boden der Mulde 72. Der Abtrag des freiliegenden dielektrischen Bereichs erfolgt mit irgendeinem Laser, der sich zum selektiven Abtragen organischer dielekrischer Werkstoffe eignet, ohne eine Kupferschicht zu beseitigen. Laser, die im Wellenlängenbereich des ultravioletten Lichts arbeiten, eignen sich besonders gut, beispielsweise Excimer-Laser, außerdem YAG-Laser mit Frequenz-Verdreifachung oder -Vervierfachung. Allerdings eignen sich auch andere Lasertypen. Der Laser kann entweder im Abtastbetrieb arbeiten, bei dem die Oberfläche des Substrats mit einem großen Laserfleck überstrichen wird, oder mit einem fokussierten Strahl. Zusätzlich zu dem Laserabtrag des freiliegenden dielektrischen Bereichs kann man auch von anderen Verfahren Gebrauch machen, um selektiv den freiliegenden dielektrischen Bereich zu beseitigen, so zum Beispiel – ohne Beschränkung – Plasmaätzen, reaktives Ionenätzen oder chemisches Ätzen. allerdings eignet sich die Laserablation besonders gut, da sie eine bessere Steuerung der Gestalt der Mulde ermöglicht. Einfache Beugung führt zu einer sich verjüngenden Form im Fall der Abtast-Laserablation.
Als Ergebnis wird eine Blindbohrung 72 gebildet. Anschließend wird das Innere der Mulde oder der Bohrung 72 mit einem leitenden Metall 73, zum Beispiel Kupfer, überzogen. Das Kupfermaterial läßt sich mit Hilfe irgendeines geeigneten Verfahrens niederschlagen, beispielsweise durch stromloses Plattieren, durch Aufstäuben, durch Aufdampfen oder durch Niederschlagen einer leitenden Beschichtung mittels direkter elektrolytischer Abscheidung.
Daran anschließend wird die gesamte Oberseite des Substrats 67 einschließlich eines zukünftigen Pad-Bereichs 74, mit einem Photoresist 75 überzogen ( 22). Das freiliegende Kupfer 76 am Boden des Substrats 67 wird mit einem geeigneten herkömmlichen Kupfer-Ätzmittel weggeätzt, beispielsweise mit einer Ätzlösung auf Kupferdichlorid-Basis. Das Photoresist 75 wird dann von der Oberseite und der Unterseite des Substrats beseitigt, so daß das Kupfer-Pad 77 stehenbleibt (23). Optional können zunächst eine erste Nickelschicht und eine zweite Goldschicht auf der Außenfläche des Pads 77 niedergeschlagen werden, wobei die Nickelschicht dazu dient, die Goldschicht in die Kupferschicht hineinzudiffundieren.
Das zweite dielektrische Laminat-Substrat 68 (24) ist dem Substrat 67 identisch und enthält eine obere Kupferschicht 78, ein Dielektrikum 80 und eine untere Kupferschicht 79. Wie bei dem Substrat 67 darf die dielektrische Schicht 80 kein Material enthalten, welches resistent gegenüber dem Ätzen durch einen Laser- oder Plasmaprozeß ist, beispielsweise eine glasverstärkte dielektrische Schicht.
Auch hier wird auf die Kupferschichten 78 und 79 ein Photoresistmaterial aufgebracht (nicht dargestellt), und derjenige Bereich, wo eine Mulde, eine Vertiefung oder eine Bohrung 81 gebildet werden soll, wird mit herkömmlichen Methoden einer Bildgebung unterzogen. Die Kupferschicht 78 in dem bebilderten und freiliegenden (nicht dargestellten) Bereich wird durch ein geeignetes herkömmliches Kupfer-Ätzmittel, beispielsweise einer Ätzlösung auf Kupferdichlorid-Basis, weggeätzt. Nachdem das Kupfer in dem belichteten Bereich geätzt ist, ist der freiliegende Bereich der dielektrischen Schicht 80 erkennbar und wird mit einem Laser zur Bildung einer "Mulde" 81 (25) abgetragen. Nachdem die Mulde oder Bohrung 81 gebildet ist, wird das Basissubstrat in geeigneter Weise so behandelt, daß eine Oberflächen-Leitungsschicht 82 aus beispielsweise Kupfer an den Seitenwänden der Mulde oder der Bohrung 81 entsteht, wie oben in Verbindung mit dem Substrat 67 erläutert wurde. Dann wird Photoresist 83 oben auf das Substrat 68 aufgebracht (26) und mit einem Bildmuster versehen, um Pads und/oder Leitungsbahnen zu bilden, das gleiche gilt für die Unterseite des Substrats 68, um eine Metallisierung oder Plattierung zu vermeiden.
Flächenbereiche, die nicht von dem Photoresist geschützt sind, werden mit einem Metall metallisiert, welches bezüglich Kupfer Ätz-Selektivität besitzt, beispielsweise Nickel, um eine Nickelschicht 84 zu bilden (27). Anschließend kann das niedergeschlagene Nickelmaterial mit einer Schicht aus Gold überzo gen werden, um einen Kontakt mit geringem Widerstand zu erhalten. Dann wird das Photoresist von der Oberseite und der Unterseite des Substrats entfernt (28).
Das laminierte Kontaktstück wird dann zusammengebaut, indem ein selektiv leitendes Z-Achsen-Material 87 zwischen die verarbeiteten ersten und zweiten dielektrischen Laminat-Substrate 85 und 86 gebracht wird, wobei das Substrat 85 sich oben auf dem Z-Achsen-Material 87 befindet (29). Die drei Schichten werden durch Laminieren bei einer Temperatur von 435°F und einem Druck von 325 psi zusammengefügt, wobei ein Klebstoff in dem Z-Achsen-Material 87 die Substrate 85 und 86 bindet.
Nachdem die drei Schichten umfassende Einheit 88 gebildet ist (30), wird die Kupferschicht 89 mit Hilfe einer oben diskutierten Kupfer-Ätzlösung weggeätzt, so daß die Schicht 90 stehenbleibt (31). Dann wird das Dielektrikum 90 entfernt, so daß die Kupferschicht 91 mit einer Erhebung 92 stehenbleibt (32). Danach wird auf die Bohrung oder Vertiefung 94 Photoresist 93 aufgebracht, außerdem auf die Umgebungsbereiche 96 und 97 des Substrats (33), und die Kupferschicht 98 und die freiliegende Kupferschicht 95 werden entfernt (34). Das Photoresist wird entfernt, und es wird das Waferebene-Kontaktflachstück gebildet. Die leitende Bohrung 94 wird mit dem leitenden Pad 99 gekoppelt, welches dann über die leitenden Z-Achsen-Pfade in dem Z-Achsen-Material 87 mit der Erhebung 67 gekoppelt wird.
Geeignete Verfahren zur Ausbildung der Metallbeschichtung an der Bohrung enthalten – ohne Beschränkung – ein herkömmliches stromloses Kupferabscheiden, Sputtern, Aufdampfen oder Niederschlagen einer leitenden Beschichtung zu ermöglichen einer direkten elektrolytischen Abscheidung, oder andere geeignete Verfahren. Zusätzliches elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer kann zur Verdickung dieses Niederschlags hinzugefügt werden, um dadurch eine robustere Oberfläche für zusätzliche Verarbeitungsschritte zu erhalten.
35 ist eine Rasterelektronen-Mikroaufnahme einer Erhebung, die an dem Kontaktstück nach der oben beschriebenen Prozedur gebildet wurde.
In 36 ist das Substrat aus 26 etwas vergrößert dargestellt, damit man die Abmessungen der Bohrung und der Padoberfläche erkennen kann, die zur Schaffung der leitenden Erhebung gebildet wird. Wie aus 36 ersichtlich ist, besitzt die Bohrung einen oberen Durchmesser A, wobei A zwischen 25 μm und 75 μm liegt, einen unteren Durchmesser B, der zwischen 10 μm und 60 μm liegt, und eine Höhe C zwischen 20 μm und 75 μm. Der Durchmesser D des Pads, der aus dem Photoresist 83 gebildet wird, liegt zwischen 35 μm und 150 μm. Die Erhebung 67, dargestellt in den 34 und 37, besitzt eine im wesentlichen ebene Spitze 101 und hat einen Enddurchmesser zwischen 5 μm und 50 μm bei einer Toleranz von +/–2 μm, vorübergehend abgestützt durch die Bohrung 81.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Waferebenen-Kontaktflachstücks (9), umfassend die Schritte: Bereitstellen eines bezüglich einer Z-Achse selektiv leitenden Materials (87) mit einem darin enthaltenen Klebstoff; und Laminieren eines ersten Dielektrikums (86) auf eine Unterseite des Z-Achsen-Materials (87), wobei das Dielektrikum (86) eine erste Blindbohrung aufweist, die auf einer Oberseite des Dielektrikums ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt: Laminieren eines zweiten Dielektrikums (85) auf eine Oberseite des Z-Achsen-Materials (87), wobei das Dielektrikum eine zweite Blindbohrung aufweist, die auf seiner Oberseite ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend den Schritt: Beseitigen des Dielektrikums (86), welches eine Außenfläche der ersten leitenden Blindbohrung umgibt, um eine leitende Erhebung (92) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das selektiv leitende Z-Achsen-Material (87) unregelmäßig konfigurierte leitende Pfade (44) enthält, die elektrisch voneinander sowohl in Richtung der X- als auch in Richtung der Y-Achse getrennt sind und sich von einer Seite des Z-Achsen-Materials zu dessen anderer Seite hin erstrecken.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, weiterhin umfassend das Laminieren von mindestens einer nach unten herabhängenden, uniform konfigurierten Erhebung (92) auf eine Unterseite des Z-Achsen-Materials (87), wobei die Erhebung (92) ein freies planares Ende besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 5, weiterhin umfassend das Koppeln der Oberseite des ersten Dielektrikums (86) mit leitenden Pads (99) eines elektronischen Bauteils.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Z-Achsen-Material (86) aus einem porösen Substrat gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das poröse Substrat einen Klebstoff mit einer Glasübergangstemperatur T_g von mindestens 200°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das poröse Substrat ein Fluorpolymer ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das poröse Fluorpolymer Polytetrafluorethylen (PTFE) ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Fluorpolymer poröses, expandiertes Polytetrafluorethylen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Fluorpolymer ein poröses Copolymer aus Polytetrafluorethylen ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Klebstoff ein Epoxidharz ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Klebstoff ein Acrylharz ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Klebstoff ein Urethanharz ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Klebstoff ein Silikonharz ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Klebstoff ein Polyimidharz ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Klebstoff ein Cyanatesterharz ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Klebstoff mindestens ein Stoff aus der Gruppe Epoxidklebstoff, Cyanatesterklebstoff, Polyimidklebstoff und Acrylklebstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Z-Achsen-Material (87) 5 bis 500 μm (5 bis 500 Mikrometer) dick ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Z-Achsen-Material (87) 10 bis 125 μm (10 bis 125 Mikrometer) dick ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Z-Achsen-Material (87) etwa 75 μm (75 Mikrometer) dick ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Z-Achsen-Material (87) etwa 50 μm (50 Mikrometer) dick ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die leitenden Pfade (44) aus Kupfer, Kupfer und Nickel oder Kupfer, Nickel und Gold gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die leitenden Pfade (44) aus Nickel gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die leitenden Pfade (44) aus Silber oder Gold gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die leitenden Pfade (44) aus Platin, Palladium oder Rhodium gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die leitenden Pfade (44) aus Cobalt gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die leitenden Pfade (44) aus Aluminium oder Chrom gebildet sind.