DE3545258A1 - Method for producing circuits using thin-film technology - Google Patents

Method for producing circuits using thin-film technology

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DE3545258A1 DE19853545258 DE3545258A DE3545258A1 DE 3545258 A1 DE3545258 A1 DE 3545258A1 DE 19853545258 DE19853545258 DE 19853545258 DE 3545258 A DE3545258 A DE 3545258A DE 3545258 A1 DE3545258 A1 DE 3545258A1
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Abstract

The invention relates to a method for producing circuits, using thin-film technology, on a substrate having through-plated holes, use being made of thick-film technology on one side of the substrate in a first method step, and thin-film structures being applied onto the other side of the substrate in further method steps, using a covering varnish film of electrical reinforcements. The invention is characterised by the following features: - in a first step, the circuit contours are applied and burnt in on the rear side of the substrate, including the through-plated regions in the holes, by screen printing; - in a second step, the top of the substrate is cleaned and an adhesive layer is then deposited by cathode sputtering, which adhesively layer is also precipitated into the holes; - in a third step, a first conductive layer is deposited onto the adhesive layer by cathode sputtering. s

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.

Die Technologie zur Herstellung von Schaltkreisen in der Hybridtechnik strebt nach immer höherer Auflösung sowie im Zuge der Höchstfrequenztechnik nach weiterer Miniaturisie­ rung der Schaltkreiselemente. Dadurch ist es erforderlich, daß in immer größerem Rahmen die Dünnschichttechnik verwen­ det wird, um Hybridschaltkreise zu realisieren. Hierbei ist es notwendig, daß die Rückseite des Hybridschaltkreises als Massefläche ausgebildet wird und dadurch keine Schaltele­ mente mit geringen Abmessungen mehr enthält. The technology for manufacturing circuits in the Hybrid technology strives for ever higher resolution as well In the course of ultra-high frequency technology after further miniaturization circuit elements. This makes it necessary that thin film technology is being used on an ever larger scale is used to implement hybrid circuits. Here is it is necessary that the back of the hybrid circuit as Ground surface is formed and therefore no Schaltele elements with small dimensions contains more.  

Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bekannt aus "Solid State Technology", Mai 1971 S. 38-42. Dabei werden in einem dritten Komplex von Verfahrensschrit­ ten die Durchkontaktierungen zwischen Dickschichtschaltung auf der Rückseite und Dünnfilmschaltung auf der Oberseite metallisiert unter nochmaliger Anwendung von ganzflächiger Kupferabscheidung, Photolackauftragen, galvanischer Goldver­ stärkung, Photolackentfernen, Kupferätzen.A method according to the preamble of claim 1 known from "Solid State Technology", May 1971 pp. 38-42. This involves a third set of procedural steps the plated-through holes between thick-film circuit on the back and thin film circuit on the top metallized using the whole surface again Copper deposition, photoresist application, galvanic gold coating strengthening, photoresist removal, copper etching.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das bedeutend ökonomischer ist an Verfahrensschritten und Materialverbrauch. Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen der Erfindung.The object of the invention is a method of the beginning specified type, which is significantly more economical Process steps and material consumption. The invention is characterized in claim 1. The other claims contain advantageous developments and designs of Invention.

Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es not­ wendig, daß die Schaltung auf mindestens 96%iger Aluminium­ oxidkeramik aufgebaut wird. Durch elektrotechnische Reak­ tionen unter Feuchtigkeitseinfluß bei der Verwendung unter­ schiedlicher Materialien kann eine Korrosion an den Verbin­ dungsstellen der Schaltung bzw. an den Durchkontaktierungen von der Oberseite zur Rückseite auftreten. Daher wird als leitfähiges Material zum Aufbau der Schaltung ein Metall verwendet, das sowohl als siebdruckfähige Paste wie auch als Target für eine Sputteranlage erhältlich ist. Durch die Anwendung der Siebrucktechnik auf der Rückseite des Schalt­ kreises mit gleichzeitigem Durchkontaktieren durch Löcher von mindestens 0,6 mm ⌀ zur Oberseite des Substrats wird eine elektrische Anbindung der Rückseite an die Metall­ schicht auf der Oberseite erreicht, die durch Kathodenzer­ stäuben in dem nachfolgenden Prozeßschritt hergestellt wird. Durch weitere chemische und optische Prozesse wird eine Strukturierung der oberen dünnen Metallschicht hergestellt.It is necessary to use the method according to the invention nimble that the circuit on at least 96% aluminum oxide ceramic is built. Through electrotechnical reak tion under the influence of moisture when used under Different materials can cause corrosion on the connector junction points of the circuit or on the vias occur from the top to the back. Therefore, as conductive material to build the circuit a metal used both as a screen printable paste and as Target for a sputtering system is available. Through the Application of screen printing technology on the back of the switch circle with simultaneous through-plating through holes of at least 0.6 mm ⌀ to the top of the substrate an electrical connection of the back to the metal layer on the top reached by cathoders dust is produced in the subsequent process step.  Through further chemical and optical processes, a Structuring the upper thin metal layer.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen die Abfolge der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte in bevorzugter Ausführung. Es ist verein­ facht ein Substrat mit einer Bohrung in der Mitte darge­ stellt. Die Abfolge der Prozeßschritte ist:The invention is explained in more detail below with reference to the figures explained. These show the sequence of the invention Preferred process steps. It is united folds a substrate with a hole in the middle poses. The sequence of the process steps is:

Fig. 1: Siebdruck der Massefläche mit allen Konturen der Schaltungsmassefläche auf die Rückseite des Substrates mit Durchkontaktierung der Bohrungen zur Dünnschichtseite der Schaltung (Oberseite). Dabei wird das Wandern von Siebdruck­ paste an die Wände der Bohrungen vorzugsweise durch Ansaugen von der anderen Substratseite her unterstützt. Fig. 1: Screen printing of the ground surface with all contours of the circuit ground surface on the back of the substrate with through-hole plating to the thin-film side of the circuit (top). The migration of screen printing paste to the walls of the holes is preferably supported by suction from the other side of the substrate.

Fig. 2: Einbrennen der Massefläche in die Keramik bei 850- 980°C, wobei der Einbrennvorgang im Hinblick auf Temperatur und Atmosphäre der Siebdruckpaste angepaßt ist. Das bedeutet z. B., daß für Gold- und Silberpasten normale Luftatmosphäre verwendet werden kann, während für Kupfer reiner Stickstoff erforderlich ist und ein Mehrkammerbrennofen benutzt werden muß. Fig. 2: baking the ground surface in the ceramic at 850-980 ° C, the baking process is adapted in terms of temperature and atmosphere of the screen printing paste. That means e.g. B. that normal air atmosphere can be used for gold and silver pastes, while pure nitrogen is required for copper and a multi-chamber furnace must be used.

Fig. 3: In dem nachfolgenden Vakuumprozeß wird die zu beschichtende Oberfläche durch Sputterätzen gesäubert, wobei Verunreinigungen abgetragen werden. Dieser Prozeß wird in derselben Apparatur durchgeführt, in der die nachfolgende Beschichtung erfolgt. Fig. 3: In the subsequent vacuum process, the surface to be coated is cleaned by sputter etching, whereby contaminants are removed. This process is carried out in the same apparatus in which the subsequent coating takes place.

Fig. 4: Auf die gesäuberte Oberfläche wird durch Kathoden­ zerstäubung eine Haftschicht aufgetragen, wobei die Prozeß­ parameter so gewählt werden, daß sich die Haftschicht auch innerhalb der Bohrungen bildet. Für diesen Vorgang hat sich bevorzugt eine Metallisierung aus Wolfram und Titan als geeignet erwiesen. Je nach verwendeter Sputteranlage wird das Substrat ggf. bewegt. Fig. 4: An adhesive layer is applied to the cleaned surface by sputtering, the process parameters being selected so that the adhesive layer also forms within the bores. A metallization of tungsten and titanium has proven to be suitable for this process. Depending on the sputtering system used, the substrate may be moved.

Fig. 5: In dem gleichen Vakuum wird durch Wechseln des Targets eine Schicht aus einem sehr gut leitfähigen Mate­ rial, wie z. B. Kupfer, abgeschieden. Die Bedingungen müssen ähnlich wie bei Schritt vier gewählt werden. Kupfer hat sich dabei als geeignet erwiesen. Nach den Schritten vier und fünf ist die siebgedruckte Massefläche elektrisch mit der Oberfläche, d. h. mit der Dünnschichtoberseite, durch die Bohrungen verbunden, während die Beschichtung der Randzonen der Unterseite der Schaltung durch Blenden vermieden wird. Fig. 5: In the same vacuum by changing the target, a layer of a very conductive material, such as. B. copper, deposited. The conditions must be chosen similar to step four. Copper has proven to be suitable. After steps four and five, the screen-printed ground plane is electrically connected to the surface, ie to the top of the thin film, through the holes, while the edge zones on the underside of the circuit are prevented from being coated by screens.

Fig. 6: Zur Strukturierung bzw. zur Ausbildung der Leiter­ bahnen wird die aufgesputterte Oberfläche mit einem positiv arbeitenden Photolack geeigneter Dicke durch Aufwalzen überzogen, wobei darauf geachtet werden muß, daß der Photo­ lack nicht die seitlichen Kanten und Bohrungen benetzt. Fig. 6: For structuring or forming the conductor tracks, the sputtered surface is coated with a positive-working photoresist of suitable thickness by rolling, care being taken that the photo lacquer does not wet the side edges and bores.

Fig. 7: Nach dem Trocknen der Photolackschicht wird mit Hilfe eines Maskenjustier- und Belichtungs-Gerätes die Struktur in der Photolackschicht erzeugt. Die nicht belich­ tete Photolackschicht bleibt beim Entwickeln des Lackes ste­ hen und dient in dem nachfolgenden Arbeitsgang als Galvano­ resist. Fig. 7: After the photoresist layer has dried, the structure in the photoresist layer is generated with the aid of a mask adjustment and exposure device. The unexposed photoresist layer remains when the varnish is developed and serves as galvano-resistance in the subsequent work step.

Fig. 8: In einem geeigneten Elektrolyten wird elektroche­ misch die gesputterte Leitschicht sowie die Rückseiten­ schicht galvanisch verstärkt, wobei evtl. vor dem Verstärken ein Anätzen der Oberfläche notwendig ist, um einen innigen Verbund zwischen der ersten Leitschicht bzw. der Rückseite und der galvanischen Schicht zu erzeugen, sowie eine gute Benetzung der Metallschicht durch den Elektrolyten zu errei­ chen. Die galvanische Verstärkung wird bis zu der Schicht­ dicke des Photolackes vorgenommen. Die Ausbildung eines Pilzhutes muß vermieden werden. Fig. 8: In a suitable electrolyte, the sputtered conductive layer and the back layers are electrochemically electroplated, with an etching of the surface possibly being necessary before the reinforcement in order to achieve an intimate bond between the first conductive layer or the back and the electroplated layer to generate, as well as to achieve a good wetting of the metal layer by the electrolyte. The galvanic reinforcement is carried out up to the layer thickness of the photoresist. The formation of a mushroom hat must be avoided.

Fig. 9: Die Entfernung des Photolackes kann durch organi­ sche Lösungsmittel, wie z. B. Aceton, aber auch durch ganz­ flächiges Belichten mit UV-Licht und durch Entwickeln in einer alkalischen Lösung erfolgen. Sie dient zur Freilegung der dünnen unverstärkten Leitschicht. Fig. 9: The removal of the photoresist by organic solvents such as. B. acetone, but also by completely exposing to UV light and by developing in an alkaline solution. It serves to expose the thin, unreinforced conductive layer.

Fig. 10: Um die einzelnen Schaltungsteile voneinander zu trennen, ist es erforderlich, die freiliegenden, aufgesput­ terten Metallschichten zu entfernen. Hierzu werden in einem Sprühätzautomaten die gesamten Kupferschichten um die Dicke der gesputterten Kupferschicht abgetragen. Als Ätzmittel findet eine Ätzlösung Anwendung, die die unter der Kupfer­ schicht liegende Wolfram-Titan-Schicht entweder nicht an­ greift oder sie mit der gleichen Ätzgeschwindigkeit wie bei Kupfer auflöst. Fig. 10: In order to separate the individual circuit parts from each other, it is necessary to remove the exposed, sputtered metal layers. For this purpose, the entire copper layers are removed by the thickness of the sputtered copper layer in a spray etching machine. An etching solution is used as the etchant, which either does not attack the tungsten-titanium layer under the copper layer or dissolves it at the same etching rate as for copper.

Fig. 11: Zur endgültigen elektrischen Trennung der Schal­ tungsteile ist es notwendig, die Wolfram-Titan-Schicht nach dem Abätzen der Kupferschicht zu entfernen, wenn dieser Vorgang nicht schon im Schritt 10 durch Anwendung eines speziellen Ätzmittels mit erledigt wurde. Fig. 11: For the final electrical separation of the circuit parts, it is necessary to remove the tungsten-titanium layer after etching off the copper layer, if this process was not already done in step 10 by using a special etchant.

Die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende:The advantages of the method according to the invention are as follows:

  • 1. Die Rückseite wird durch Dickschichttechnik realisiert; das Auftreten von "pin holes" durch Staub usw. wird ausge­ schlossen.1. The back is realized by thick film technology; the occurrence of "pin holes" due to dust etc. is eliminated closed.
  • 2. Das Aufsputtern der Rückseite entfällt, wodurch die Sputteranlage nur einseitig arbeiten muß und dadurch billi­ ger wird in der Anschaffung bzw. bei einer nur einseitig arbeitenden Maschine die Zykluszeit um die Hälfte reduziert wird.2. There is no sputtering on the back, which means that Sputtering system only has to work on one side and therefore billi The purchase is only one-sided working machine reduces the cycle time by half becomes.
  • 3. Die Beschichtung mit Photolack durch Aufwalzen wird technologisch einfacher. Es muß nur noch eine Schicht Lack aufgetragen werden. Dadurch sinkt der Ausschuß sowie die erforderliche Nacharbeit.3. The coating with photoresist is rolled on technologically easier. All that's left is a coat of varnish be applied. This reduces the committee and the required rework.
  • 4. Das Strukturieren des Photolackes kann durch eine ein­ seitig arbeitende Maskenjustier- und Belichtungsanlage vorgenommen werden. Das Einrichten des Substrates bzw. der Maske ist einfacher.4. The structuring of the photoresist can be done by a mask adjustment and exposure system working on both sides be made. Setting up the substrate or the Mask is easier.
  • 5. Durch den Fortfall der aufgesputterten Rückschicht wird die Ätzung der Leit- und Haftschicht einfacher. Die Atzung muß nur noch von einer Seite erfolgen, wodurch niedrigere Anlagekosten resultieren.5. Because of the sputtered back layer the etching of the conductive and adhesive layer easier. The etching only has to be done from one side, which means lower Investment costs result.
  • 6. Die Durchkontaktierung des Substrates ist niederohmiger bzw. dicker als sie durch Dünnschichtprozesse erreicht werden kann. Die Ausfälle durch Ätzprozesse (Verbleiben von Ätzmitteln in den Löchern usw.) sinken.6. The through-contacting of the substrate is lower or thicker than achieved by thin-film processes can be. The failures due to etching processes (remaining of Etchants in the holes etc.) sink.
  • 7. Das Reinigen der Substrate durch chargenweises Glühen kann entfallen.7. Cleaning the substrates by batch annealing can be omitted.

Hieraus ergibt sich, daß die Erfindung sowohl eine Senkung des erforderlichen Investitionskapitals wie auch eine Erhö­ hung der Ausbeute an Schaltkreisen ermöglicht.It follows that the invention is both a reduction the required investment capital as well as an increase allows the yield of circuits.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Schaltungen in Dünn­ schichttechnik auf einem Substrat mit Durchkontaktierungen in Bohrungen, wobei in einem ersten Verfahrensschritt auf einer Seite des Substrats von der Dickschichttechnik Ge­ brauch gemacht wird, und in weiteren Verfahrensschritten auf der anderen Seite des Substrats Dünnschichtstrukturen unter Anwendung einer Decklacktechnik und von galvanischem Ver­ stärken angebracht werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • - in einem ersten Schritt werden durch Siebdruck die Schaltungskonturen auf der Rückseite des Substrats ein­ schließlich der Durchkontaktierungen in den Bohrungen aufgebracht und eingebrannt;
  • - in einem zweiten Schritt wird die Oberseite des Sub­ strats gesäubert und dann durch Kathodenzerstäubung eine Haftschicht aufgetragen, die sich auch in den Bohrungen niederschlägt;
  • -in einem dritten Schritt wird durch Kathodenzerstäubung eine erste leitfähige Schicht auf die Haftschicht aufgetragen.
1. A method for producing circuits in thin-film technology on a substrate with plated-through holes in holes, in a first process step on one side of the substrate of the thick-film technology is used, and in further process steps on the other side of the substrate thin-film structures using a Top coat technology and galvanic reinforcement are attached, characterized by the following features:
  • - In a first step, the circuit contours on the back of the substrate, including the plated-through holes in the holes, are applied and burned in by screen printing;
  • - In a second step, the top of the substrate is cleaned and then an adhesive layer is applied by sputtering, which is also reflected in the holes;
  • In a third step, a first conductive layer is applied to the adhesive layer by sputtering.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • -in einem vierten Schritt wird auf die Oberseite des Substrats als Galvanoresist ein Decklack aufgetragen und strukturiert;
  • - in einem fünften Schritt werden die erste leitfähige Schicht, die Durchkontaktierungen und die Rückseite des Substrats galvanisch verstärkt;
  • - in einem sechsten Schritt wird der Decklack entfernt;
  • - in einem siebten und achten Schritt werden auf der Oberseite des Substrats alle Strukturen um die Dicke der aufgestäubten ersten leitfähigen Schicht abgeätzt und die dann freiliegenden Teile der Haftschicht abge­ ätzt.
2. The method according to claim 1, characterized by the following features:
  • in a fourth step, a topcoat is applied to the top of the substrate as a galvanoresist and structured;
  • - In a fifth step, the first conductive layer, the vias and the back of the substrate are galvanically reinforced;
  • - The top coat is removed in a sixth step;
  • - In a seventh and eighth step, all structures on the top of the substrate are etched away by the thickness of the dusted-on first conductive layer and the parts of the adhesive layer which are then exposed are etched off.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wandern von Siebdruckpaste an die Wände der Bohrungen durch Ansaugen von der anderen Substratseite her unterstützt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized net that the walking of screen printing paste on the walls of the Holes by suction from the other side of the substrate is supported. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückseite des Substrats und mindestens für die er­ ste leitfähige Schicht ein Metall verwendet wird, das sowohl als siebdruckfähige Paste wie auch als Target für eine Sputter­ anlage erhältlich ist.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for the back of the substrate and at least for it Most conductive layer is a metal that is used both as a screen printable paste as well as a target for a sputter plant is available. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Haftschicht eine Wolfram-Titan-Legierung verwendet wird.5. The method according to claim 1, characterized in that as Adhesive layer a tungsten titanium alloy is used.
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WO2023160941A1 (en) * 2022-02-22 2023-08-31 Rogers Germany Gmbh Metal-ceramic substrate and method for producing a metal-ceramic substrate

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