DE19817359A1 - Keramische Mehrlagenschaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Keramische Mehrlagenschaltung und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Abstract
Es wird eine keramische Mehrlagenschaltung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung vorgeschlagen, die kostengünstige, korrosionsbeständige, gegen den Kirkendalleffekt gefeite und für unterschiedliche Montageprozesse einsetzbare Außenkontaktierungen bzw. Außenleiterbahnen aufweist. Der Schaltungsaufbau bzw. das Verfahren umfaßt den Einsatz einer reinen Silberpaste für die Realisierung von Außenleiterbahnen bzw. Außenkontaktierungen. Korrosionsbeständigkeit wird durch eine dünne metallische Schutzschicht gewährleistet.
Description
Die Erfindung geht aus von einer keramischen
Mehrlagenschaltung bzw. von einem Verfahren zur Herstellung
einer keramischen Mehrlagenschaltung nach der Gattung der
Hauptansprüche. Es sind schon keramische
Mehrlagenschaltungen bzw. Verfahren zu ihrer Herstellung
bekannt, die in der Zeitschrift "productronic" Nr. 8, 11/95,
Seite 40 bis 46 im Aufsatz "LTCC - die zwingende
Alternative" von Bernhard H. Mussler et al. beschrieben
sind bei denen entweder reines Silber für
Außenmetallisierungen oder Silberpalladium und/oder Gold in
Kombination mit Zwischenleiterbahnen für
Außenmetallisierungen verwendet wird. Bei der Verwendung
reinen Silbers tritt bei undefinierten Lagerbedingungen
Korrosion auf. Bei der Verwendung von Silberpalladium
und/oder Gold in Kombination mit Zwischenleiterbahnen kommt
es am Übergang von silbergefüllten Durchkontaktierlöchern zu
Silberpalladium bzw. Gold zu Diffusionsvorgängen
(Kirkendalleffekt), was zu einer Materialauszehrung führen
kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
keramischen Mehrlagenschaltung bzw. die keramische
Mehrlagenschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen der
Hauptansprüche haben demgegenüber den Vorteil, ein einfaches
und preiswertes sowie zeitsparendes Verfahren darzustellen,
wobei die keramische Mehrlagenschaltung korrosionsbeständig
ist und mit niederohmigen Außenkontakten bzw.
Außenleiterbahnen versehen ist.
Dadurch, daß Silber für Außenleiterbahnen verwendet wird,
erzielt man niederohmige, gegen den Kirkendalleffekt gefeite
Übergänge zu mit Silber gefüllten Durchkontaktierungen der
keramischen Mehrlagenschaltung. Eine metallische
Schutzschicht über die Außenleiterbahnen bzw.
Außenkontaktierung aus Silber verleiht denselben
Korrosionsbeständigkeit.
Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß aufgrund des
Vorsehens einer metallischen Schutzschicht der Einsatz
reiner Silberpasten als offene Montageleiterbahnen möglich
wird, da aufgrund der metallischen Schutzschicht Schwefel,
Chlor, Luftfeuchtigkeit usw. den Außenleiterbahnen bzw.
Außenkontaktierungen nichts anhaben kann.
Außerdem wird die Kombination unterschiedlicher
Leiterbahnqualitäten wie Gold, Goldsilber,
Goldsilberpalladium, Silberpalladium, -Platin umgangen, da
beispielsweise Zwischenleiterbahnen nicht mehr erforderlich
sind. So werden auch im Herstellungsverfahren zeitaufwendige
Verfahrensschritte eingespart, wie das Drucken und
Einbrennen einer Paste beispielsweise, die nach dem
Herstellungsvorgang als Zwischenleiterbahn dienen soll. Auch
Materialwerte, die zum Teil beträchtlich sind, werden
eingespart.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen der Mehrlagenschaltung bzw. des
Herstellungsverfahrens, die in den nebengeordneten
Ansprüchen angegeben sind, möglich.
Insbesondere das Vorsehen einer Nickelschicht und einer
darauf angeordneten Goldschicht, insbesondere in einem
stromlosen oder galvanischen Verfahren, stellt eine einfache
und kostensparende Vorgehensweise zur Herstellung einer
metallischen Schutzschicht dar.
Dabei kann die Schichtdicke der Nickelschicht bzw. der
Goldschicht jeweils optimiert werden, beispielsweise
dergestalt, daß die Goldschicht etwas dünner ausgeführt wird
als die Nickelschicht, um möglichst wenig Gold zu benötigen.
Wird beim Aufbringen der Außenleiterbahnen und/oder
Außenkontaktierungen eine fotoempfindliche (Silber-)Paste
verwendet und werden die Silberstrukturen durch einen
Fotoprozeß erzeugt, so sind die Mikrostrukturen mit einer
Leiterbahn- bzw. Padbreite bis herab zu 100 µm bzw. mit
einem gegenseitigen Abstand bis herab zu 50-30 µm
erreichbar. Das führt zu Platzersparnis, gibt Spielraum für
Toleranzen (d. h. liefert einen robusteren Prozeß) bzw. macht
den Einsatz von keramischen Mehrlagenschaltungen für
bestimmte "Fine Pitch"-Halbleiter erst möglich, die an der
Oberfläche der keramischen Mehrlagenschaltung nur mit
enggerasterten Pads kontaktierbar sind. Der Einsatz einer
fotoempfindlichen Silberpaste macht die Schaltung zudem
billiger als bei Verwendung von einer Goldpaste
(Materialkosten aufgrund subtraktiver Prozeßführung, ferner
kürzere Belichtigungszeiten der Silberpaste im Vergleich zur
Goldpaste).
Eine Nickel und/oder Gold-Oberfläche auf der fein
strukturierten Silberbahn bzw. Silberkontaktierung (Pad)
gewährleistet überdies Korrosionsschutz und gute
Bondbarkeit.
Die einzige Figur stellt ein Beispiel einer keramischen
Mehrlagenschaltung nach dem Stand der Technik dar.
Der typische Aufbau einer keramischen Mehrlagenschaltung in
LTCC-Technik (Low Temperature Cofiring Ceramics) nach dem
Stand der Technik ist in der Fig. 1 dargestellt. Keramische
Folien sind zu einem Folienstapel 3 angeordnet. Mit
leitendem Material gefüllte Durchkontaktierlöcher 1 stellen
eine elektrische Verbindung zwischen Leiterbahnen 2 auf den
verschiedenen Keramikfolien her. Vorzugsweise werden wegen
des kleinen spezifischen Widerstands Silberpasten zur
Realisierung der innenliegenden Leiterbahnen 2 und der
Füllung der Durchkontaktierlöcher 1 verwendet. An den beiden
Außenseiten 10 der keramischen Mehrlagenschaltung sind
Außenkontaktierungen 5 angeordnet, die beispielsweise den
elektrischen Kontakt zu einem Widerstand 7 herstellen. Der
Widerstand 7 kann dabei beispielsweise von einem Abdeckglas
8 hermetisch abgeschlossen sein. Auch Außenleiterbahnen 4
können vorgesehen sein. Für die Außenleiterbahnen werden
Materialien wie Gold, Silbergold, Silberpalladium,
Silberplatin, Silberpalladiumplatin verwendet, denn reines
Silber ist an der Oberfläche nicht korrosionsbeständig. Nur
an den innenliegenden Seiten 9 der Keramikfolien des
Folienstapels 3 ist die mangelhafte Korrosionsbeständigkeit
reinen Silbers unproblematisch. Um ferner den Widerstand
zwischen den Außenleiterbahnen 4 und den zu kontaktierenden
mit Silber gefüllten Durchkontaktierlöchern 1 möglichst
niederohmig auszubilden, sind Zwischenleiterbahnen 6
vorgesehen, die eine Abstufung des Silbergehalts
ermöglichen. Ferner wird damit eine Verminderung des
Kirkendalleffekt erzielt, also eine unerwünschte
Silberdiffusion unterbunden.
Das Herstellungsverfahren einer keramischen
Mehrlagenschaltung gestaltet sich folgendermaßen. In
ungebrannte ("grüne") keramische Folien werden
Durchkontaktierlöcher 1 eingestanzt. Die
Durchkontaktierlöcher werden mit einer Leiterbahnpaste,
insbesondere einer Silberpaste aufgefüllt, und in einem
weiteren Schritt werden Leiterbahnen 2 aus elektrisch
leitendem Material, insbesondere reinem Silber auf die
Folien gedruckt. Die keramischen Folien werden anschließend
zu einem Stapel gestapelt und in einem Preßvorgang bei
leicht erhöhter Temperatur miteinander verbunden. Darauf
folgt ein Sinterprozeß. Es werden schon unmittelbar vorher
aufgedruckte Außenleiterbahnen und/oder Außenkotaktierungen
während des Sinterprozesses eingebrannt, oder es werden nach
dem Sinterprozeß Außenleiterbahnen und/oder
Außenkontaktierungen aufgedruckt und eingebrannt. Auch für
Widerstände gibt es spezielle Widerstandspasten, die
aufgetragen und anschließend eingebrannt werden. Je mehr
Materialien an den Außenseiten 10 der keramischen
Mehrlagenschaltung aufgetragen werden, um so komplizierter,
kosten- und zeitintensiver gestaltet sich der
Herstellungsprozeß.
Bei keramischen Mehrlagenschaltungen in LTCC-Technik sind
für Montageprozesse verschiedener Bauteile unterschiedliche
Leiterbahnen erforderlich. So erfordert ein Golddrahtbonden
von Bauteilen auf den Außenseiten der keramischen
Mehrlagenschaltung eine Goldleiterbahn, eine Klebemontage
von Bauelementen bzw. ein Aluminiumdickdrahtbonden erfordern
eine Silberpalladiumleiterbahn an den Außenseiten der
keramischen Mehrlagenschaltung. Ebenso erfordert eine
Anbindung von ohmschen Widerständen und Kontaktierflächen
Silberpalladiumleiterbahnen an den Außenseiten. Das
erfindungsgemäße Vorsehen von Außenleiterbahnen bzw.
Außenkontaktierungen aus reinem Silber mit einer
beispielsweise galvanischen Verstärkung durch eine dünne
Nickel- und eine dünne Goldschicht ermöglicht es, mit einer
Sorte von Außenleiterbahn bzw. Außenkontaktierung sämtliche
Anforderungen bezüglich eingesetzter Montagetechniken von
Bauteilen auf den Außenseiten keramischer
Mehrlagenschaltungen abzudecken. Vorzugsweise wird dabei
nach dem Auftragen der Silberpaste in einem nachfolgenden
Prozeß galvanisch oder stromlos erst eine ungefähr 5 µm
dicke Nickelschicht und anschließend eine zirka 0,2 µm dicke
Goldschicht aufgetragen. Eine solche Leiterbahnstruktur an
den Außenseiten läßt sich für alle gängigen Montageprozesse
verwenden, wie für Aluminium- oder Golddrahtbonden, Löten,
Flipchip-Montagen, Kleben oder das Anbringen sonstiger
Kontaktierungen.
Fig. 2 zeigt schematisch auf einer Oberfläche einer
keramischen Mehrlagenschaltung in einer Reihe angeordnete
Pads 30. Diese Pads weisen eine Padbreite 21 und einen
Padabstand 22 auf. Die Summe von Padbreite 21 und Padabstand
22 ist in Fig. 2 mit Bezugszeichen 20 versehen und wird als
Raster bzw. Pitch bezeichnet.
Ein- bzw. zweireihige Anordnungen derartiger Pads dienen zur
Kontaktierung von Halbleiterchips auf der Oberfläche der
keramischen Mehrlagenschaltung. Bondtechnisch ist
beispielsweise eine untere Grenze von ca. 120 µm für die
Padbreite 21 vorgegeben. Sollen Halbleiterchips kontaktiert
werden, die ein Raster am Halbleiterkörper bis herab zu 80
µm haben, so ist bei einer zweireihigen Anordnung von Pads
auf der Oberfläche der keramischen Schaltung ein Raster 20
von 180 bis 160 µm für die Pads 30 vorzusehen. Werden
Silberleiterbahnen auf eine grüne Keramik gedruckt und
anschließend in einem Cofireprozeß gesintert, so ist bei
einer vorgegebenen Bondpadbreite von 120 µm und einem
drucktechnisch bedingten minimalen Abstand 22 von 80 µm ein
minimales Raster von 220 µm möglich. Eine weitere
Verbesserung hin zu kleineren Rastern 20 ist durch den
Einsatz von einer fotoempfindlichen Silberpaste, eines
Fotoprozesses und einer sich anschließenden
Postfirebehandlung möglich: Dabei wird nach der Stapelung
der keramischen Folien, nach einem Preßvorgang bei leicht
erhöhter Temperatur und nach einem Sinterprozeß bei 850 bis
900°C auf der Oberfläche der keramischen Mehrlagenschaltung
eine fotoempfindliche Silberpaste aufgedruckt. Dabei kommt
beispielsweise die Silberpaste mit dem Namen Fodel von
DuPont zum Einsatz. Darauf erfolgt ein Trocknen der
gedruckten Paste, so daß diese im getrockneten Zustand
ungefähr eine Dicke von 6 µm aufweist. In einem weiteren
Schritt wird die gedruckte Paste durch eine Maske mit
UV-Licht belichtet, anschließend die unbelichteten Strukturen
in einer Natriumcarbonatlösung ausgewaschen und anschließend
die Oberfläche mit Wasser gespült und schließlich
getrocknet. Die herausstrukturierten Silberanordnungen
werden bei 850 bis 900°C in einem Postfireprozeß
eingebrannt, so daß daraus Silberleiterbahnen entstehen.
Daran schließt sich der schon zuvor beschriebene Prozeß der
Beschichtung mit Nickel und/oder Gold an, wobei zunächst die
Silberleiterbahnen bekeimt werden. Nach dem Bekeimen
schließt sich ein chemisches Abscheiden von Nickel, ein
Spülvorgang, danach ein chemisches Abscheiden von Gold und
schließlich nochmals ein Spülvorgang an. Das Ergebnis sind
fein strukturierte Silberleiterbahnen bzw. Silberpads, die
einen Korrosionsschutz aufweisen und zudem leicht bondbar
sind.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung keramischer Mehrlagenschaltungen,
bei dem
- - in ungebrannte keramische Folien Durchkontaktierlöcher (1) eingestanzt werden,
- - die Durchkontaktierlöcher mit einer Leiterbahnpaste, insbesondere einer Silberpaste, aufgefüllt werden,
- - in einem weiteren Schritt Leiterbahnen (2) aus elektrisch leitendem Material, insbesondere Silber, auf die Folien gedruckt werden,
- - die keramischen Folien anschließend zu einem Folienstapel (3) gestapelt und in einem Preßvorgang miteinander verbunden werden,
- - in einem weiteren Schritt ein Sintervorgang erfolgt,
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Außenleiterbahnen (4) und/oder
Außenkontaktierungen (5) zunächst mit einer Nickelschicht und in
einem weiteren Schritt mit einer dünnen Goldschicht versehen
werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die metallische Schutzschicht in einem
galvanischen oder stromlosen Verfahren auf die Außenleiterbahnen
und/oder Außenkontaktierungen aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nickelschicht eine Dicke von ca. 5 Mikrometern aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Goldschicht eine Dicke von ca. 0,2 Mikrometern aufweist.
6. Keramische Mehrlagenschaltung, mit mindestens zwei
aufeinander gestapelten keramischen Folien, auf deren
innenliegenden Seiten Leiterbahnen (2) aufgebracht sind, die
über mit Leiterbahnpaste gefüllten Durchkontaktierlöchern (1)
mit Leiterbahnen benachbarter Folien elektrisch leitend
verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Außenseiten
(10) des Folienstapels Außenleiterbahnen (4) und/oder
Außenkontaktierungen (5) aus Silber angebracht sind und daß die
Außenleiterbahnen (4) und/oder Außenkontaktierungen (5) mit
einer metallischen Schutzschicht, vorzugsweise Nickel und/oder
Gold, versehen sind.
7. Keramische Mehrlagenschaltung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Außenleiterbahnen (4) und/oder
Außenkontaktierungen (5) mit einer Nickelschicht und mit einer
auf der Nickelschicht aufgetragenen Goldschicht versehen sind.
8. Keramische Mehrlagenschaltung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Nickelschicht eine Dicke von ca. 5
Mikrometern aufweist.
9. Keramische Mehrlagenschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Goldschicht eine Dicke von ca. 0,2
Mikrometern aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Auftragen der Außenleiterbahnen
und/oder Außenkontaktierungen nach dem Sintervorgang unter
Verwendung eines Fotoprozesses erfolgt.
11. Keramische Mehrlagenschaltung nach einem der Ansprüche 6
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Außenkontaktierungen mit
einem Abstand von kleiner als 80 µm vorgesehen sind.
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