DE19922553A1 - Verfahren zum Herstellen eines automaten-bondbaren kermamischen Schaltungsträgers und automaten-bondbarer keramischer Schaltungsträger - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines automaten-bondbaren kermamischen Schaltungsträgers und automaten-bondbarer keramischer SchaltungsträgerInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines automaten-bondbaren keramischen Schaltungsträgers (1) wird eine Leitpaste (12) mit einem Glasanteil von weniger als 1,0 Gewichtsprozent zur Bildung von Kontaktpads auf ein Keramiksubstrat (11) mit einem Glasanteil von mehr als 10 Gewichtsprozent aufgetragen. Der Schaltungsträger (1) wird derart gebrannt, daß Glas aus dem Keramiksubstrat (11) schmilzt und eine Haftung zwischen der Leitpaste (12) und dem Keramiksubstrat (11) bewirkt. Ein keramischer Schaltungsträger weist haftungsbewirkendes Glas (13) zwischen dem Keramiksubstrat (11) und der Leitpaste (12) auf, das aus dem Keramiksubstrat (11) stammt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines au
tomaten-bondbaren keramischen Schaltungsträgers, dessen Kera
miksubstrat einen Glasanteil von mehr als 10 Gewichtsprozent
aufweist, und einen keramischen Schaltungsträger.
Bei bekannten keramische Schaltungsträger, die als Dick
schichtmodule eingesetzt werden, weist das Keramiksubstrat
einen Keramikanteil von 96% und einen Glasanteil von 4% auf.
Zur Herstellung von Kontaktpads auf der Oberfläche des Kera
miksubstrats wird eine Leitpaste oder Goldpaste mit einem
Glasanteil zwischen 1% und 10% aufgetragen. Dieser Glasanteil
wird zur Erzielung der Haftung zwischen dem Keramiksubstrat
und der Goldpaste sowie zur Ausbildung einer Sinterstruktur
der Goldpaste benötigt. Beim Brennen des keramischen Schal
tungsträgers fließt das in der Goldpaste enthaltene Glas in
ausreichendem Maße ab, so daß die Oberfläche des goldenen
Kontaktpads ausreichend frei von Glasbestandteilen ist. Auf
eine solche Oberfläche kann problemlos mit einem Golddraht
gebondet werden.
Aufgrund vieler vorteilhafter Eigenschaften finden zunehmend
auf LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) basierende Schal
tungsträger Einsatz. Ein solcher keramischer Schaltungsträger
ist beispielsweise aus der Zeitschrift Elektronik 3/1994,
Seiten 30 bis 33 bekannt. Das LTCC-Substrat besteht in der
Regel aus 40% bis 70% Keramikanteil (Al2O3) und 60% bis 30%
Glasanteil (SiO2). Der hohe Glasanteil dient beim Brennprozeß
als Sinterkatalysator und ermöglicht eine verhältnismäßig
niedrige Brenntemperatur.
Aufgrund des hohen Glasanteils des LTCC-Keramiksubstrats wird
beim Brennen das Abfließen des Glases auf der Oberfläche der
Goldpaste behindert. Daraus resultiert eine Ausscheidung von
Glasrückständen auf der Oberfläche der Goldpaste und Agglome
rate innerhalb der Goldpaste. Beide Effekte verhindern eine
gleichmäßige Ausbildung eines Wedges, also einer homogenen
Anlagefläche zwischen dem Golddraht und der Goldpaste (Kon
taktpad), auf der Gold-Dickschichtoberfläche. Folge hiervon
sind große Schwankungen der Haftfestigkeit der Bondverbindung
auf der Gold-Dickschichtoberfläche. Zusätzlich erhöht sich
aufgrund der Glasbestandteile an der Goldoberfläche die Ver
schmutzung der Kapillare (Greifwerkzeug eines Bondautomaten).
Die Standzeit eines Bondautomaten reduziert sich hierdurch
beträchtlich.
Um eine ausreichende Prozeßsicherheit beim Bonden von LTCC-
Schaltungsträgern zu gewährleisten, wird regelmäßig eine
zweite Bondverbindung an der Stelle des Wedges gezogen, um
die erste Bondverbindung zu stabilisieren. Dadurch erhöhen
sich die Kosten und der Zeitaufwand pro Schaltungsträger
deutlich.
Ferner sind von der Kapillare relativ hohe Kräfte beim Her
stellen der Bondverbindung aufzubringen, um eine sichere Ver
bindung zu gewährleisten. Dies steht einer weiteren Erhöhung
der Integrationsdichte auf einem Schaltungsträger mit hohem
Glasanteil entgegen, da feinere Kapillare mit einem geringe
ren Durchmesser nicht eingesetzt werden können. Zudem wird
Verschleiß begünstigt.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen
eines automaten-bondbaren keramischen Schaltungsträgers, des
sen Keramiksubstrat einen hohen Glasanteil aufweist, und ei
nen entsprechenden keramischen Schaltungsträger bereitzustel
len, die eine reduzierte Glaskonzentration auf der Oberfläche
von Kontaktpads aufweisen und somit gut für eine vollautoma
tische Bondung geeignet sind.
Dieses Ziel wird mit einem Verfahren und einem keramischen
Schaltungsträger erreicht, wie sie in den unabhängigen Pa
tentansprüchen definiert sind. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird der Glasanteil in der Leitpaste deutlich
reduziert. Für die Herstellung der Haftung zwischen der Leit
paste und dem Keramiksubstrat wird maßgeblich der Glasanteil
im Keramiksubstrat nutzbar gemacht. Eine homogene Verteilung
von Glasagglomeraten in der Leitpaste wird vermieden. Das Ke
ramiksubstrat weist einen Glasanteil von mehr als 10 Ge
wichtsprozent auf.
Vorteilhaft ist ein Glasanteil im Keramiksubstrat im Bereich
von 30 bis 60 Gewichtsprozent.
Als Leitpaste ist insbesondere eine Paste aus einem Edelme
tall wie Gold, Silber, Palladium, Platin sowie deren Legie
rungen geeignet. Der Edelmetallanteil sollte wenigstens 98,9
Gewichtsprozent und vorzugsweise wenigstens 99,0 Gewichtspro
zent betragen. Der Glasanteil sollte weniger als ein Ge
wichtsprozent, vorzugsweise weniger als 0,3 Gewichtsprozent
und besonders bevorzugt maximal 0,1 Gewichtsprozent betragen.
Besonders bevorzugt ist die Leitpaste völlig frei von kri
stallinem Glas. Eventuell enthaltene Glasanteile bestehen
dann aus nichtkristallinem Glas.
Das Sinterverhalten der Leitpaste kann durch Zugabe von sin
teraktiven Zusätzen auf die Fließeigenschaften des Glases im
Keramiksubstrats abgestimmt werden, so daß trotz der Vermin
derung des Glasanteils in der Leitpaste ausreichend viele
Haftzentren zwischen dem Keramiksubstrat und der Leitpaste
entstehen.
Die optionale Zugabe von sinteraktiven Zusätzen zur Leitpaste
sorgt für eine besonders homogene Versinterung der Leitpaste.
Hierfür kommen Metalle oder Metalloxide wie beispielsweise
Rhodium (Rh), Cadmium (Cd), Antimon (Sb), Eisen (Fe) und Bis
mutoxid (Bi2O3) in Frage. Der Anteil einer oder mehrerer sin
teraktiver Zusätze kann etwa 0,2 bis 2,5 Gewichtsprozent aus
machen und beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 bis 1,1 Ge
wichtsprozent.
Der erfindungsgemäße keramische Schaltungsträger erlaubt auf
grund der reinen Oberfläche der Leitpaste, die nicht durch
inhomogene Einschlüsse von Glas- und Oxidagglomeraten gestört
ist, eine gleichmäßige Ausbildung von Wedges. Der Bondvorgang
an einem solchen Schaltungsträger weist eine hohe Prozeßsi
cherheit auf, so daß problemlos Vollautomaten zum Bonden ein
gesetzt werden können. Eine von einer Bedienperson vorzuneh
mende optische Untersuchung der zu bondenden Kontaktpads nach
Glasagglomeraten ist überflüssig. Auf eine zweite Bondung
(security bond) für die Herstellung eines elektrischen An
schlusses kann verzichtet werden.
Die Verunreinigungen an der Kapillare eines Bondautomaten
werden wegen der fehlenden Glasagglomerate an der dem Kera
miksubstrat abgewandten Oberfläche der Kontaktpads stark re
duziert und die Standzeit deutlich erhöht.
Aufgrund der homogenen Oberfläche eines Kontaktpads sind die
von der Kapillare eines Bondautomaten aufzubringenden Bond
kräfte gering. Daher kann der Durchmesser einer Kapillare
verringert werden. Aufgrund der feineren Strukturen kann die
Integrationsdichte auf dem keramischen Schaltungsträger er
höht werden. Der Durchmesser eines Bonddrahts kann verringert
werden. Statt eines Bereichs von 30 µm bis 60 µm kommt als
Bonddrahtdurchmesser nun ein Bereich von 15 µm bis 60 µm in
Frage.
Außerdem erhöht sich aufgrund der geringen Verschmutzung der
Kapillare und der relativ geringen aufzubringenden Bondkräfte
die Standzeit der Kapillare um ein Vielfaches. Ein weitgehend
unterbrechungsfreies Bonden ist somit möglich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der
Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausfüh
rungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.
Die Figur zeigt einen mehrlagigen keramischen Schaltungsträ
ger nach dem Brennen.
Ein LTCC-Schaltungsträger 1 weist ein Keramiksubstrat 11 mit
einem Glasanteil (SiO2) von etwa 40 Gewichtsprozent und einem
Keramikanteil (Al2O3) von etwa 60 Gewichtsprozent auf. Der
keramische Schaltungsträger 1 ist ein Dickschichtmodul.
Eine Leitpaste 12 aus 99,0 Gewichtsprozent Gold (Au) und 1
Gewichtsprozent Rhodium (Rh) bildet einen Kontaktpad für eine
Bondverbindung zum Schaltungsträger. Die Leitpaste enthält
kein Glas.
Glas 13 in Form von Agglomeraten ist vom stark glashaltigen
Keramiksubstrat 11 in die Leitpaste 12 gewandert, so daß ein
Glasagglomerat teilweise in der Leitpaste 12 und zugleich
teilweise im Keramiksubstrat 11 eingeschlossen ist. Das Glas
13 bewirkt eine mechanische Haftung zwischen dem Keramiksub
strat und der Leitpaste.
Das aus der Leitpaste 12 gesinterte Kontaktpad steht in einem
direkten elektrischen und mechanischen Kontakt mit einer Lei
terbahn 14 des Schaltungsträgers 1. Die Leiterbahn 14 verbin
det das Kontaktpad mit einer nicht dargestellten elektroni
schen Schaltung des Schaltungsträgers.
Zwischen einem Bonddraht 15 aus Gold und dem Kontaktpad wurde
mit einem Bondautomaten eine Bondverbindung hergestellt. Es
besteht im Bereich eines Wedges 16 ein elektrischer Kontakt
zwischen der dem Keramiksubstrat 11 abgewandten Oberfläche
des Kontaktpads und dem Bonddraht 15.
Bei der Herstellung des keramischen Schaltungsträgers 1 wird
die Leitpaste 12 auf das Keramiksubstrat 11 siebgedruckt und
anschließend bei 900°C in Luft eingebrannt.
Das Sinterverhalten der Leitpaste 12 ist durch Zugabe des
sinteraktiven Rhodiums auf das Fließverhalten des Glases im
Keramiksubstrat 11 angepaßt. Dadurch wird erreicht, daß Glas
13 im Keramiksubstrat 11 schmilzt und aufgrund von Kapillar
kräften und der Benetzungseigenschaften partiell als Agglome
rate in die Leitpaste eindringt. Das Glas 13 aus dem Kera
miksubstrat übernimmt die Funktion eines Haftvermittlers und
beseitigt somit die Notwendigkeit, der Leitpaste anorganische
Haftvermittler (Glas) zusetzen zu müssen.
Der Schaltungsträger 1 ist automaten-bondbar, ohne daß eine
optische Inspektion eines Kontaktpads nach Glasbestandteilen
an der zu bondenden Oberfläche vorgenommen werden müßte.
Aufgrund der homogenen Oberfläche des Kontaktpads an der vom
Keramiksubstrat 11 abgewandten Seite mit einer gleichmäßigen
Ausbildung des Wedges 16 erfolgt einerseits nur eine sehr ge
ringe Verschmutzung einer Kapillare eines Bondautomaten, und
andererseits muß die Kapillare nur eine relativ geringe Bond
kraft auf das Kontaktpad ausüben. Daher muß der Bondprozeß
nur sehr selten für die Wartung der Kapillare unterbrochen
werden.
Claims (9)
1. Verfahren zum Herstellen eines automaten-bondbaren kerami
schen Schaltungsträgers (1), mit den Schritten:
- - eine Leitpaste (12) mit einem Glasanteil von weniger als 1,0 Gewichtsprozent wird zur Bildung von Kontaktpads auf ein Keramiksubstrat (11) mit einem Glasanteil von mehr als 10 Gewichtsprozent aufgetragen,
- - der Schaltungsträger (1) wird derart gebrannt, daß Glas aus dem Keramiksubstrat (11) schmilzt und eine Haftung zwischen der Leitpaste (12) und dem Keramiksubstrat (11) bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leitpaste (12) 0,3 bis 2,5 Gewichtsprozent eines oder mehre
rer sinteraktiver Metalle und/oder Metalloxide enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leitpaste (12) wenigstens 98,9 Gewichtsprozent eines Edelme
talls enthält.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Leitpaste (12) 0,3 bis 1,1 Gewichtspro
zent eines oder mehrerer sinteraktiver Metalle und/oder Me
talloxide enthält.
5. Automaten-bondbarer keramischer Schaltungsträger mit einem
Keramiksubstrat (11) mit einem Glasanteil von mehr als 10 Ge
wichtsprozent, mit einem Kontaktpad, das aus einer Leitpaste
(12) gebildet ist, die vor dem Brennen des Schaltungsträgers
einen Glasanteil von weniger als 1,0 Gewichtsprozent auf
weist, und mit haftungsbewirkendem Glas (13) zwischen dem Ke
ramiksubstrat (11) und der Leitpaste.
6. Keramischer Schaltungsträger nach dem vorhergehenden An
spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitpaste (12) 0,3
bis 2, 5 Gewichtsprozent eines oder mehrerer sinteraktiver Me
talle und/oder Metalloxide enthält.
7. Keramischer Schaltungsträger nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Leitpaste (12) wenigstens 98,9 Ge
wichtsprozent eines Edelmetalls enthält.
8. Keramischer Schaltungsträger nach dem vorhergehenden An
spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitpaste (12) 0,3
bis 1,1 Gewichtsprozent eines oder mehrerer sinteraktiver Me
talle und/oder Metalloxide enthält.
9. Keramischer Schaltungsträger nach einem der auf einen ke
ramischen Schaltungsträger gerichteten Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Kontaktpad nur eine Bondverbindung auf
weist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
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8131 | Rejection |