DE3855929T2 - Elektronische Bauelementteile und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Elektronische Bauelementteile und Verfahren zu deren Herstellung

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelementteil mit hoher Haftfestigkeit zwischen einem keramischen Substrat und einem Kontaktstift sowie hoher Betriebsfähigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
  • Es sind Substrate, z.B. solche aus Harzen, Metallen und Keramiken, auf denen eine Halbleitervorrichtung gebildet wird, bekannt. Von diesen sind ganz allgemein Keramiksubstrate an deren Substraten wegen ihrer Wärmeableitungs- und Isoliereigenschaften sowie wegen ihrer Festigkeit überlegen, weswegen sie auf dem einschlägigen Gebiet in großem Umfang zum Einsatz gelangen. In jüngster Zeit wurde ein Keramiksubstrat hervorragender Wärmeleitfähigkeit und Wärmeableitung entwickelt. Es gibt einen immer weiter steigenden Bedarf nach keramischen Substraten
  • Beim Einsatz keramischer Substrate bei elektronischen Bauelementteilen, z.B. keramischen Baugruppen, ist es erforder lich, an einer Leiterplatte Kontaktstifte für einen Außenanschluß zu befestigen. Mit zunehmend hoher Integration von Halbleitervorrichtungen wird das Ausmaß der einzubauenden Schaltungen bei entsprechender Zunahme der Zahl von Kontaktstiften für die Baugruppen größer und größer. Da (eine) stärker integrierte Schaltung(en) für eine VLSI mit logischen Schaltungen (logische VLSI: Gatezahl G > 10&sup5;) verwendet wird (werden), ist beispielsweise an die Baugruppe eine größere Zahl von Kontaktstiften angeschlossen. Beispielsweise ist P = 200 bis 300 für G 10&sup5;. Des öfteren wird als eine Vielzahl von Kontaktstiften aufweisende Baugruppe eine als Baugruppe mit Stiftgitteranordnung bezeichnete Halbleiterbaugruppe verwendet. Für mehr als 200 Kontaktstifte wie bei VLSI's muß jedoch diebaugruppe zur Anordnung der Kontaktstifte groß dimensioniert sein.
  • Zur Erhaltung der üblichen Baugruppengröße ist es erforderlich, die Stifte in hoher Dichte anzuordnen und gleichzeitig ihre Größe so klein wie möglich zu machen. In diesem Falle müssen die Stifte fest genug sein, um lösbar an äußere damit verbundene Teile angeschlossen werden zu können. Es ist ferner erforderlich, die Kontaktstifte in ohmschen Kontakt mit den leitfähigen Schichten des Keramiksubstrats zu bringen.
  • Da die logische VLSI-vorrichtung während der Betriebszeit Wärme in einer Größenordnung von 1 bis 10 W produziert, sollte der Wärmeewiderstand unter 5ºC/W liegen.
  • Als Baugruppe besserer Wärmeableitung hat in jüngster Zeit eine Keramikbaugruppe aus einem AlN- oder SiC-Keramiksubstrat hoher Wärmeleitfähigkeit Beachtung gefunden. Das hierbei benutzte Keramiksubstrat besitzt eine 5- bis 10-mal größere Wärmeleitfähigkeit als ein solches aus üblichem Al&sub2;O&sub3; (etwa 20 W/K m) und eignet sich auch deshalb, weil ihm - anders als bei BeO - jegliche Toxizität fehlt.
  • Bei den eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Keramiken wie AlN und SiC ist jedoch die Benetzbarkeit für das erschmolzene Metall zum Anschließen der Stifte schlechter als bei dem üblichen Al&sub2;O&sub3;. Dies erschwert die Ausbildung einer festen Bindung an Metallkontaktstifte.
  • Die EP-A-0 114 952 beschreibt ein elektronisches Bauelementteil mit einer keramischen Leiterplatte und Metallkontaktstiften, die durch einen Hartlötwerkstoff umgeben sind. Die Verwendung von Cu zusammen mit Ti, Zn oder Hf zur Bildung eines Kontakts mit einem Keramiksubstrat ist aus der JP-A-60 32 343 bekannt. Hierbei kann Silber als Verunreinigung vorhanden sein.
  • Die vorliegende Erfindung sorgt für ein elektronisches Bauelementteil mit Kontaktstiften, die sehr eng und sehr fest an eine eine hohe wärmeleitfähigkeit aufweisende Keramikleiterplatte gebunden sind, sowie für ein Verfahren zur einfachen und kontinuierlichen Herstellung elektronischer Bauelementteile hoher Betriebsfähigkeit, bei denen jeweils Kontaktstifte an eine eine hohe wärmeleitfähigkeit aufweisende keramische Leiterplatte gebunden sind.
  • Gegenstand einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelementteils durch
  • Befestigen von Kontaktstiften an einer eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden keramischen Leiterplatte aus SiG oder AlN mittels einer Hartlötpastenschicht aus einem Metallhartlötpulver mit Ag als Hauptelement und 2 - 15 Gew.-% mindestens eines Elements, ausgewählt aus Ti, Zr und Hf, einem Acrylbindemittel mit einer Carboxylgruppe als Substituentengruppe und einem organischen Lösungsmittel und Erwärmen des erhaltenen Gebildes zur Verbindung der Stifte mit der Leiterplatte.
  • Gegenstand einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches Bauelementteil, das nach dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform der vorhegenden Erfindung erhalten wurde, umfassend eine eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisende keramische Leiterplatte (1) aus SiC oder AlN und Kontaktstifte (4). Das elektronische Bauelementteil ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstifte aus einer Ni(42%)-Fe-Legierung bestehen und die keramische Leiterplatte und die Kontaktstifte mit Hilfe eines Metallhartlötwerkstoffs (3) mit Ag als Hauptelement und 2 - Gew.-% mindestens eines aus Ti, Zr und Hf ausgewählten Elements aneinander gebunden sind.
  • Als die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisende Keramikleiterplatte wird beispielsweise
  • (i) eine einlagige Keramikleiterplatte, die man durch Bedrucken der Oberfläche eines lagenförmigen Grünlings aus einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf weisenden Keramikwerkstoff mit einer metallisierten Paste und Sintern des erhaltenen Gebildes in reduzierender Atmosphäre erhält oder eine mehrlagige Leiterplatte, die durch Aufdrucken einer Verdrahtung als mehrlagige Struktur mit einer dazwischen befindlichen isolierenden Paste erhalten wird und
  • (ii) eine mehrlagige keramische Schaltung, die durch Ausbilden eines durchgängigen Lochs in einem lagenförmigen Grünling aus einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden keramischen Werkstoff, Aufdrucken einer metallisierten Paste auf die Oberfläche des lagenförmigen Grünlings dergestalt, daß die Paste in das durchgängige Loch gefüllt wird, Ausbilden einer Verdrahtung mit einer dazwischen befindlichen vermittelnden isolierenden Paste und Druckverbinden und Sintern des erhaltenen Gebildes in reduzierender Atmosphäre hergestellt wird,
  • verwendet.
  • Als eine hohe wärmeleitfähigkeit aufweisende keramische Werkstoffe, aus denen im Prinzip der lagenförmige Grünling besteht, werden AlN, SiG und dergleichen verwendet. Im Falle eines lagenförmigen AlN-Grünlings kann AlN alleine oder AlN mit einem Seltenerdelement, wie Y, oder einem Erdalkalielement, wie Ca, als Sinterhilfsmittel verwendet werden.
  • Die Keramikleiterplatte kann an der Stelle ihrer Verbindung mit dem Kontaktstift mit einer Ausnehmung versehen sein. In diesem Falle kann die Ausnehmung zum Zeitpunkt der Herstellung des genannten lagenförmigen Grünlings ausgebildet werden.
  • In dem Hartlötmetall enthaltene Elemente der Gruppe IVa sind Ti, Zr und Hf. Besonders bevorzugt wird ein hochaktiviertes Ti oder Zr oder eine Kombination beider. Vorzugsweise sollte der gewichtsprozentuale Anteil des Elements der Gruppe IVa in dem Hartlötmetall 2 bis 15% betragen. Bei weniger als 2 Gew.-% an dem Element der Gruppe IVa kommt es an einer Verbindung zwischen dem Keramikwerkstoff und dem Hartlötmetall zu einer schlechten Benetzung. Infolge Agglomeration des Hartlötmetalls ist es dann nicht möglich, eine bessere Bindung der Kontaktstifte an die Leiterplatte zu gewährleisten. Wenn andererseits der gewichtsprozentuale Anteil an dem Element der Gruppe IVa 15% übersteigt, besteht die Möglichkeit, daß der Widerstand an der Bindung - wie bereits ausgeführt -steigt oder der ohmsche Kontakt mit den Kontaktstiften schlechter wird. Vorzugsweise reicht der gewichtsprozentuale Anteil an dem Element der Gruppe IVa von weniger als 2% bis
  • Cu-, Ni-, Ag- und sonstige Hartlötmetalle sind bekannt. Aus Gründen ihres niedrigen Schmelzpunkts und ihrer besseren Benetzbarkeit gegenüber Metallkontaktstiften gelangt jedoch vorzugsweise ein Hartlötmetall mit Ag, Cu oder Ag und CU zum Einsatz. Die Hartlötmetallschicht kann zwischen der Keramikleiterplatte und den Kontaktstiften durch Aufdampfen, Sputtern, Pulverbeschichten, Pastenbeschichten u.dgl. gebildet werden.
  • Als Acrylbindemittel in einer Hartlötpaste eignet sich beispielsweise ein Polyacrylester oder Polymethacrylester mit einer Carboxylgruppe als Substituentengruppe oder eine Kombination eines Teils einer jeden dieser Substanzen mit Styrol. Der gewichtsprozentuale Anteil der als Substituentengruppe in das Bindemittel einzuführenden Carboxylgruppe liegt vorzugsweise im Bereich von weniger als 1% bis 5%. Bei weniger als 1% Carboxylgruppe kommt es zu einem Verbacken des Hartlötmetallpulvers in dem Bindemittel mit der Folge einer schlechten Bindung an die Keramikplatte. Übersteigt der gewichtsprozentuale Anteil der Carboxylgruppe 5%, kann das Bindemittel in einen Gelzustand übergehen, wobei dann die Bildung einer Pastenschicht schwierig wird. Vorzugsweise sollte das Molekulargewicht des Acrylbindemittels im Bereich von 5000 bis 15 000 liegen. Bei einem Molekulargewicht unter 5000 zeigt die Paste eine geringe Bindungsfähigkeit, bei Molekulargewichten über 15 000 bleibt an der Bindungsfläche nach dem Erwärmen des Gebildes in der Verbindungsstufe mehr Kohlenstoff zurück, so daß zwischen dem Hartlötmetall und dem Keramikgebilde (nur) eine schwache Bindung entsteht.
  • Die Menge an zugemischtem Bindemittel liegt zweckmäßigerweise im Bereich von weniger als 3 - 15 Gew.-Teilen in bezug auf 100 Gew.-Teile des Hartlötmetallpulvers. Wenn die Binde mittelmenge unter 3 Gew.-Teilen liegt, läßt sich die Paste nur schwierig formen. Wenn die Bindemittelmenge dagegen 15 Gew.-Teile übersteigt, bleibt an der Bindungsfläche nach dem Erwärmen des Gebildes in der Verbindungsstufe eine größere Menge Kohlenstoff zurück. Dies hat eine schwächere Bindungs kraft an der Fläche zwischen dem Hartlötmetall und dem Keramikgebilde zur Folge. Vorzugsweise liegt die Menge an zugemischtem Bindemittel im Bereich von 5 - 10 Gew.-Teilen.
  • Als organisches Lösungsmittel für die Hartlötpaste eignen sich Terpineol, Diethylenglykol, Mono-n-butylether und dergleichen.
  • Die Hartlötpastenschicht kann auf der Seite der Leiterplatte oder des Kontaktstifts oder auf beiden Seiten beider ausgebildet werden. Die Hartlötpastenschicht kann beispielsweise mit Hilfe von Siebdruck ausgebildet werden.
  • Die Atmosphäre beim Erwärmen besteht aus einer nichtoxidierenden Atmosphäre wie Stickstoff, Vakuum und dergleichen. In der Praxis wird eine Stickstoff als Hauptelement enthaltende Atmosphäre bevorzugt. Der Gehalt an verunreinigendem Sauerstoff beträgt vorzugsweise höchstens 20 ppm. Eine solche Atmosphäre läßt sich beispielsweise in einem Tunnelofen erzeugen. Das Erwärmen kann innerhalb der betreffenden Atmosphäre während des Verbindungsverfahrens bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Hartlötmetalls in der Hartlötpaste durchgeführt werden. Im Falle von Ag als Hartlötmetall kann das Erwärmen beispielsweise bei 800 - 850ºC erfolgen.
  • Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine feste Hartlötung der Kontaktstifte an den Keramikwerkstoff, aus dem die Leiterplatte besteht, zu erreichen. Die Kontaktstifte können durch das Hartlötmetall mit einem Element der Gruppe IVa an der Leiterplatte befestigt werden. Das Hart lötmetall wird hierbei in den Schmelzezustand überführt, daß es unter der Einwirkung des Elements der Gruppe IVa in dem erschmolzenen Metall die keramische Isolierschicht der Leiterplatte besser benetzen kann. Wenn in der Leiterplatte durchgängige Löcher gebildet sind, dringt das erschmolzene Hartlötmetall derart in die durchgängigen Löcher ein, daß die leitfähige Schicht tief unter den durchgängigen Löchern sehr fest und auf ohmsche Weise durch das Hartlötmetall an die Kontaktstifte gebunden wird. Man kann folglich elektronische Bauelementteile, z.B. Keramikbaugruppen (Baugruppen mit Stiftgitteranordnung), herstellen, die sich durch eine hohe Festigkeitszuverlässigkeit auszeichnen und eine hervorragende Wärmeableitung zeigen.
  • Wenn an der Bindungsfläche in der Leiterplatte eine Ausnehmung gebildet ist und das erhaltene Gebilde mit dem durch das Hartlötmetall an der Ausnehmung befestigten Kontaktstift erwärmt wird, erhöht sich die Kontaktfläche zwischen dem erschmolzenen Metall und der Leiterplatte, wodurch die Bindefestigkeit weiter verbessert wird.
  • Erfindungsgemäß kann man sich beispielsweise des Siebdrucks als einer Beschichtungsmaßnahme bedienen. Wenn nach Befestigung der Kontaktstifte an der Leiterplatte mit Hilfe der Hartlötpaste das erhaltene Gebilde in einer Stickstoff als Hauptelement enthaltenden Atmosphäre erwärmt wird, schmilzt das Hartlötmetall der Paste und kann dann die keramische Isolierschicht der Leiterplatte unter der Wirkung des Elements der Gruppe IVA in dem erschmolzenen Metall besser benetzen. Wegen der stickstoffreichen Atmosphäre ist es möglich, die Bildung eines Oxidfilms auf der Schmelzeoberfläche des Hartlötmetalls zu unterdrücken, so daß die Schmelzeschicht unter besserer Befestigung der Kontaktstifte an der Leiterplatte gebildet wird. Weiterhin wird das in der Paste enthaltene Acrylbindemittel in der Stickstoff als Hauptelement enthaltenden Atmosphäre erhitzt und problemlos zersetzt. Auf diese Weise wird ein Zurückbleiben von Kohlenstoff, der eine Benetzung der Bindungsfläche hemmt, verhindert. Man kann ohne Schwierigkeiten elektronische Bauelementteile, z.B. Keramikbaugruppen, die bezüglich der Festigkeit hochwertiger als die üblichen Gegenstücke sind, herstellen. Da das Gebilde zum Zeitpunkt der Herstellung der Verbindung nicht unter Vakuum erwärmt wird, lassen sich die elektronischen Bauelementteile nicht nur chargenweise, sondem auch kontinuierlich herstellen. Dadurch wird ein rascher Betriebsablauf gewährleistet.
  • Diese Erfindung läßt sich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstehen. Im einzelnen sind:
  • Fig. 1A und 1B Querschnittdarstellungen eines Verfahrens zur Herstellung einer Keramikbaugruppe nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2A und 2B Querschnittdarstellungen eines Verfahrens zur Herstellung einer Kerarnikbaugruppe nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3A und 3B Querschnittdarstellungen eines Verfahrens zur Herstellung einer Keramikbaugruppe nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 4A und 4B Querschnittdarstellungen eines Verfahrens zur Herstellung einer Keramikbaugruppe nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
  • Fig. 5A und 5B Querschnittdarstellungen eines Verfahrens zur Herstellung einer Keramikbaugruppe nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • Beispiel 1
  • Auf der Stiftbefestigungsfläche über einem durchgängigen Loch 2 einer mehrlagigen AlN-Leiterplatte 1 aus einer Isolierschicht 5 und einer leitfähigen Schicht 6 wurde - wie aus Fig. 1A hervorgeht - eine Hartlötmetallschicht 3 eines Durchmessers von 1 mm und einer Dicke von 0,5 mm aus 5% Ti, 68% Ag und 27% Cu gebildet (sämtliche Prozentangaben beziehen sich hier und im folgenden auf das Gewicht). Danach wurde mit Hilfe einer nicht dargestellten Kohlenstoff-Einspannvorrichtung ein Ni(42%)-Fe-Kontaktstift 4 eines Durchmessers von 0,5 mm und einer Länge von 3 mm verschiebungsfrei in Kontakt mit der Metallhartlötschicht 3 auf einem Substrat gehalten. In diesem Zustand wurde die Einheit (Platte 1 und Kontaktstift 4) in einen nicht dargestellten Vakuumofen gestellt und unter einem Druck von 3,75 x 10&supmin;&sup7; Pa (5 x 10&supmin;&sup5; Torr) 3 min lang auf 850ºC erwärmt. Hierbei entstand eine keramische Baugruppe 9 mit einem mit Hilfe einer Hartlötmetalischicht 3 an die Leiterplatte 1 gebundenen Kontaktstift 4.
  • Bei der erhaltenen Baugruppe 9 wurde der Kontaktstift einem Zugtest unterworfen. Es zeigte sich, daß sich der Stift unter einer Belastung von 3 kg nicht von der Platte 1 löste. Dies steht für eine hohe Bindefestigkeit. Bei Messung der Leitung zwischen dem Kontaktstift 4 und der Leiterschicht 6 mit Hilfe eines Testgeräts, das sich in dem durchgängigen Loch unterhalb des zentralen Teils der Stiftbefestigungsfläche befindet, hat sich ein besserer ohrnscher Kontakt bestätigt. Weiterhin zeigt die keramische Baugruppe 9 des Beispiels 1 im Vergleich zu einer üblichen Keramikbaugruppe mit Al&sub2;O&sub3; während des Betriebs nur einen geringen Temperaturanstieg von 5 - 6ºC.
    • Beispiel 2
  • Auf der Stiftbefestigungsfläche über einem durchgängigen Loch 12 einer mehrlagigen AlN-Leiterplatte 11 aus einer isolierenden Schicht 15 und einer leitfähigen Schicht 16 wurde eine Pastenschicht 13 eines Durchmessers von 1 mm und einer Dicke von 0,01 cm aus pulverförmigem Ti einer Teilchengröße unter 10 µm, einem organischen Bindemittel (Gemisch aus Ethylcellulose und Ethanol) und Terpineol gebildet. Andererseits wurde auf der Unterseite eines Ni(42% )-Fe-Kontaktstifts 14 eines Durchmessers von 0,5 mm und einer Länge von 3 cm eine 72% Ag/28% Cu-Hartlötmetallschicht 17 gebildet.
  • Dann wurde die Metallhartlötschicht 17 des Kontaktstifts 14 mit Hilfe einer nicht dargestellten Kohlenstoff-Einspannvorrichtung verschiebungsfrei in Kontakt mit der Pastenschicht 13 der Platte 11 gehalten. In diesem Zustand wurde die Einheit (Substrat 11 und Kontaktstift 14) in einen nicht dargestellten Vakuumofen gestellt und unter einem Druck von 3,75 x 10&supmin;&sup7; Pa (5 x 10&supmin;&sup7; Torr) 3 min lang auf 850ºC erwärmt. Auf diese Weise wurde eine in Fig. 28 dargestellte Keramikbaugruppe 19 mit einem mit Hilfe einer Hartlötmetallpastenschicht 18 an die Platte 11 gebundenen Kontaktstift 14 hergestellt.
  • Es zeigte sich, daß die in der geschilderten Weise hergestellte Keramikbaugruppe 19 eine hohe Bindefestigkeit, einen hohen ohmschen Kontakt und eine hohe Wärmeableitung (vgl. Beispiel 1) aufweist.
    • Beispiel 3
  • Entsprechend Beispiel 2 wurde eine Keramikbaugruppe hergestellt, wobei jedoch eine durch Verkneten eines 5% Ti/68% Ag/27% Cu-Legierungspulvers mit einem organischen Bindemittel (auf Acrylbasis) und Terpineol erhaltene Hartlötpaste in einer Menge von 1 mg/cm² auf die untere Stirnfläche eines 42% Ni-Fe-Kontaktstifts eines Durchmessers von 0,5 mm und einer Länge von 3 mm aufgetragen wurde.
  • Danach wurde an der Stiftbefestigungsfläche über einem durchgängigen Loch einer mehrlagigen AlN-Leiterplatte der Kontaktstift mit Hilfe einer Kohlenstoff-Einspannvorrichtung verschiebungsfrei mit der Hartlötpastenschicht auf der unteren Stirnfläche des Stifts in Kontakt gehalten. In diesem Zustand wurde die erhaltene Leiterplatte in einen Vakuumofen gestellt und darin 3 min lang unter einem Druck von 3,75 x 10&supmin;&sup7; Pa (5 x 10&supmin;&sup5; Torr) auf 850ºC erwärmt. Auf diese Weise wurde eine Keramikbaugruppe mit einem über eine aktivierte Hartlötmetallschicht an eine Platte gebundenen Kontaktstift erhalten.
  • Es zeigte sich&sub1; daß die Keramikbaugruppe wie in den Beispielen 1 und 2 eine hohe Bindefestigkeit, einen guten ohmschen Kontakt und eine hohe Wärmeableitung aufwies.
    • Beispiel 4
  • 7 Gew.-Teile eines Acrylharzes (Acrylesterpolymer und Copolymer aus einem Acrylester und Methacrylester) mit 3% NH&sub3;-, OH- oder COOH-Substituentengruppen wurden mit 100 Gew.-Teilen eines Hartlötmetallpulvers aus 7% Ti, 67% Ag und 26% Cu gemischt. Nach dem Lösen mit Terpineol wurde das jeweilige Gemisch 1 h lang in einem Mörser verknetet, wobei sechs Arten von Hartlötpasten erhalten wurden.
  • Danach wurde auf die Stiftbefestigungsfläche über einem durchgängigen Loch 22 einer mehrlagigen AlN-Leiterplatte 21 aus einer isolierenden Schicht 25 und einer leitfähigen Schicht 26 (vgl. Fig. 3A) ein nicht dargestellter 200 µm dicker Raster aus nichtrostendem Stahl mit einem ausgestanzten Druckabschnitt eines Durchmessers von 1 mm gelegt. Danach wurde die jeweilige Hartlötpaste auf den Raster gegossen. Nach dem Drucken wurde getrocknet. Schließlich wurde der Raster entfernt, wobei eine Hartlötpastenschicht 23 erhalten wurde. Ein 42% Ni-Fe-Kontaktstift 24 wurde mit Hilfe einer nicht dargestellten Kohlenstoff-Einspannvorrichtung verschiebungsfrei mit der Hartlötpastenschicht 23 in Kontakt gehalten. In diesem Zustand wurde das erhaltene Gebilde in einen nicht dargestellten Tunnelofen gestellt und darin in einer Atmosphäre aus gasförmigem N&sub2; mit einer O&sub2;-Konzentration von 16 ppm 5 min lang auf 850ºC erwärmt. Wie aus Fig. 38 hervorgeht, wurden sechs Arten von Keramikbaugruppen 29 mit jeweils einem mittels einer Hartlötschicht 23 an die Leiterplatte 21 gebundenen Kontaktstift 24 erhalten.
  • Die mit der Hartlötpaste mit einem Harz auf Acrylbasis derart gebundenen einzelnen Keramikbaugruppen wurden auf die Benetzbarkeit zwischen dem Kontaktstift und der Leiterplatte hin untersucht. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt, wobei "o" und "x" "besser" bzw. "schlecht" bedeuten. TABELLE 1 TABELLE 2
  • Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, zeigen die mit der Paste auf Acrylharzbasis mit NH&sub3;- bzw. OH-Substituentengruppe derart gebundenen einzelnen Keramikbaugruppen eine schlechte Benetzbarkeit zwischen der Leiterplatte und dem Kontaktstift. Bei der Untersuchung des Zustands der Hartlötschicht der Keramikbaugruppe zeigte es sich, daß das Metallpulver verbacken oder granuliert war und der Kontaktstift lose an der Leiterplatte hing. Dadurch war keine angemessene Bindefestigkeit erreicht. Es hat sich ferner gezeigt, daß eine teilweise Kohlenstoffablagerung stattgefunden hatte. Im Gegensatz dazu zeigte die mit einer Paste mit dem Harz auf Acrylbasis mit der COOH-Gruppe als Substituentengruppe derart gebundene Keramikbaugruppe eine bessere Benetzbarkeit zwischen Leiterplatte und Kontaktstift. Bei der Bestimmung der Bindefestigkeit des Stifts an der Leiterpiatte mit Hilfe eines Zugtestgeräts von Instron Co., Ltd. ("Instron-Zugtestgerät") zeigte es sich, daß sie mindestens 58,8N (6 Kgf)/ Stift bzw. durchschnittlich 88,3N (9 Kgf)/Stift betrug. Dies belegt eine sehr hohe Bindefestigkeit mit geringer Schwankung. In diesem Falle betrug die Menge des auf der Oberfläche der Hartlötschicht abgelagerten Kohlenstoffs weniger als die Hälfte derjenigen bei Verwendung des Harzes auf Acrylbasis mit der NH&sub3;- oder OH-Gruppe als Substituentengruppe. Bei der Bestimmung des Widerstands zwischen dem Kontaktstift und dem innerhalb des zentralen Teils des durchgängigen Lochs 22 gelegenen Teil der leitfähigen Wolframschicht 26 mit Hilfe eines Testgeräts war eine Widerstandszunahme von 20 mΩ festzustellen. Dieser Wert entspricht nahezu demjenigen im Falle eines Ni-plattierten Substrats und eines an die Platte mittels Ag angelöteten Kontaktstifts.
  • Weiterhin zeigte es sich, daß die mit der Paste mit dem Harz auf Acrylbasis mit der COOH-Gruppe als Substituentengruppe gebundene Keramikbaugruppe einen Temperaturanstieg von 5 - 6ºC, d.h. eine hervorragende Wärmeableitung aufwies.
    • Beispiel 5
  • Entsprechend Beispiel 4 wurden drei Arten keramischer Baugruppen, bei denen an eine mehrlagige AlN-Leiterplatte 42% Ni-Fe-Kontaktstifte gebunden waren, hergestellt, wobei jedoch drei verschiedene Arten von Hartlötpasten, die durch Vermischen von 100 Gew.-Teilen eines Hartlötmetallpulvers aus 7% Ti, 67% Ag und 26% Cu und 7 Gew.-Teilen eines Harzes auf Acrylbasis mit einer Menge eines mit Styrol polymerisierten Copolymers aus einem Acrylester und Methacrylester mit einer NH&sub3;-, OH- bzw. COOH-Gruppe als Substituentengruppe, Auflösen des Gemischs mit Terpineol und 1-stündiges Verkneten des Gemischs in einem Mörser zubereitet worden waren, verwendet wurden. Die Kontaktstifte und die Leiterplatte der jeweiligen Baugruppe wurden entsprechend Beispiel 4 auf die Benetzbarkeit, die Bindefestigkeit und die Wärmeableitung hin untersucht. Bei den einzelnen Keramikbaugruppen wurden für die verschiedenen Substituenten entsprechende Ergebnisse wie in Beispiel 4 erhalten.
    • Beispiel 6
  • 7 Gew.-Teile eines Harzes auf Acrylbasis mit einer COOH- Gruppe als Substituent wurden mit 100 Gew.-Teilen eines Hartlötmetallpulvers aus 1, 2, 3, 5, 10 bzw. 17% Ti und zum Rest Ag und Cu gemischt. Nach dem Auflösen mit Terpineol wurde das jeweilige Gemisch 1 h lang in einem Mörser verknetet, um eine Hartlötpaste herzustellen.
  • Die Herstellung von 6 Arten keramischer Baugruppen erfolgte entsprechend Beispiel 4. Von den erhaltenen Baugruppen zeigte eine Baugruppe, die mit einer Paste mit dem Hartlötmetallpulver mit 1% Ti gebunden worden war, eine schlechte Benetzbarkeit zwischen den Kontaktstiften und der Leiterplatte und infolge Verbackens des Hartlötmetallpulvers eine schwache Bindefestigkeit von (nur) 0 bis 9,81N (1 Kgf)/ Stift. Andererseits zeigte eine Baugruppe mit einer Bindungspaste mit einem Hartlötmetallpulver mit 17% Ti eine feste Verbindung zwischen der Hartlötmasse und der Leiterplatte. Der Kontaktstift und eine tief unten an dem durchgehenden Loch befindliche leitfähige Wolframschicht zeigten jedoch eine (Widerstands-)Zunahme von 50 - 200 mfl mit großer Schwankung. Eine Baugruppe mit einer zur Verbindung verwendeten Hartlötpaste mit 2 bis 10% Ti zeigte eine bessere Benetzbarkeit zwischen Leiterplatte und Kontaktstift. In diesem Falle betrug die Festigkeit einer Bindung zwischen den Kontaktstiften und der Leiterplatte mindestens 58,8N (6 Kgf)/Stift und durchschnittlich 88,3N (9 Kgf)/Stift (sehr fest) mit (nur) geringer Schwankung. Die Kontaktstifte und eine tief unter dem zentralen Teil der Kontaktstiftbefestigungsfläche festgelegte leitfähige Wolframschicht wurden mit Hilfe eines Testgeräts auf ihren Widerstand hin untersucht. Man fand im Vergleich zu einem Fall, bei welchem die Leiter platte vernickelt war und die Kontaktstifte an das erhaltene Gebilde mittels Ag angelötet waren, (nur) eine geringe Zunahme von unter 20 mΩ.
    • Beispiel 7
  • 1% CaO sowie 3% Y&sub2;O&sub3; wurden als Sinterzusatz zu pulverisiertern AlN zugegeben. Dem Gemisch wurde als Bindemittel Polymethylacrylat einverleibt. Hierbei wurde ein Ausgangsmaterial erhalten. Aus dem Ausgangsmaterial wurde mittels einer Schaberklinge ein 0,75 mm dicker lagenförmiger Grünling ausgeschnitten. Danach wurde der Grünling an einer Außenkante mittels einer Stanzrohform zum Ausstanzen eines Außendurchmessers halbkreisförmiger Projektion (5R) an beiden Seiten zur Positionierung einer Ausnehmung an zwei Stellen an beiden Seiten des lagenförmigen Grünlings gestanzt. Der lagenförmige Grünling wurde mit Hilfe einer Einspannvorrichtung mit Führungsstift mit den positionierenden Ausnehmungen als Referenz fixiert und mittels eines NC-Bohrers zur Bildung eines durchgängigen Lochs eines Durchmessers von 0,3 mm gebohrt. Danach wurde auf das durchgängige Loch und um dessen Kante herum eine leitfähige Wolframpaste appliziert und ein Siebdruck durchgeführt.
  • In entsprechender Weise wurde ein weiterer lagenförmiger Grünling hergestellt und nach dem Darauflegen auf den anderen lagenförmigen Grünling bei aufeinanderliegenden Pastenschichten formgepreßt, um eine Verbundschicht herzustellen. Auf der Stiftbefestigungsfläche des Verbundschichtgrünlings wurde mit Hilfe eines Bohrers eines Durchmessers von 1 mm eine Mehrzahl von umgekehrt stumpfkegeligen Ausnehmungen gebildet.
  • Der Verbundschichtgrünling wurde nach dem Entfetten in reduzierender Atmosphäre gebrannt, um eine in Fig. 4A dargestellte mehrlagige AlN-Leiterplatte herzustellen. Die Leiterplatte 31 bestand aus aufeinanderkaschierten AlN-Schichten 32, ersten und zweiten leitfähigen Wolframschichten 33a und 33b, ersten durchgängigen Löchern 34a, die zur Verbindung der leitfähigen Schichten 33a und 33b mit dem leitfähigen Wolframwerkstoff gefüllt waren, zweiten durchgängigen Löchern 34b, die zum Verbinden der zweiten leitfähigen Schicht 33b mit einer "Ausnehmungs"-Seite mit dem leitfähigen Wolframwerkstoff gefüllt waren, und Ausnehmungen 35.
  • 100 Gew.-Teile eines Hartlötmetallpulvers aus 7% Ti, 67% Ag und 26% Cu wurden mit 7 Gew.-Teilen Acrylester mit einer COOH-Gruppe als Substituentengruppe gemischt. Nach dem Auflösen mit Terpineol wurde das Ganze zur Zubereitung einer Hartlötpaste 1 h lang in einem Mörser verknetet. Danach wurde unter Verwendung eines nicht dargestellten 200 µm dicken Rasters aus nichtrostendem Stahl mit Hilfe einer Hartlötpaste ein Bedrucken durchgeführt. Nach dem Trocknen wurde eine Hartlötpastenschicht 37 innerhalb der Ausnehmungen 35 erhalten. Das erhaltene Gebilde in einen Tunnelofen gestellt, wobei das untere Endteil eines 42% Ni-Fe-Kontaktstifts 36 mit Hilfe einer nicht dargestellten Kohlenstoff- Einspannvorrichtung in die Pastenschicht 37 eingebettet war. Danach wurde das Gebilde in einer N&sub2;-Gasatmosphäre mit 16 ppm Sauerstoffkonzentration 5 min lang auf 850ºC erwärmt, um eine Keramikbaugruppe mit einem mit Hilfe des Hartlötwerkstoffs 37 an die Platte 31 gebundenen Kontaktstift 36 (vgl. Fig. 4B) herzustellen.
  • Bei der erhaltenen Baugruppe war unter besserer Benetzbarkeit an der Bindungsstelle des Kontaktstifts an die Leiterplatte weniger Kohlenstoff abgelagert. Die mit Hilfe des Instron-Zugfestigkeitstestgeräts bestimmte Festigkeit der Bindung des Kontaktstifts an die Leiterplatte betrug mindestens 58,8N (6 Kgf)/Stift und zeigte im Durchschnitt den sehr hohen Wert in der Größenordnung von 88,3N (9 Kgf)/Stift bei geringerer Schwankung. Der Kontaktstift und der unter dem durchgängigen Loch befindliche leitfähige Wolframschichtteil zeigten bei Messung ihres Widerstands im Vergleich zu der üblichen vernickelten Leiterplatte mit dem mittels Ag angelöteten Kontaktstift (nur) eine geringe Zunahme von unter 20 mΩ. Es zeigte sich, daß das Harz auf Acrylbasis auf das Innere der Hartlötschicht einen negativen Einfluß ausübte und daß jeder Kontaktstift durch das durchgängige Loch hindurch mit der leitfähigen Schicht in ohmschem Kontakt stand.
  • Es hat sich ferner gezeigt, daß die Keramikbaugruppe dieses Beispiels im Vergleich zu einer üblichen Baugruppe mit Al&sub2;O&sub3; (nur) einen niedrigen Temperaturanstieg von 5 - 6ºC zeigte und folglich eine hohe Wärmeverteilung oder -ableitung aufwies.
    • Beispiel 8
  • Entsprechend Beispiel 7 wurde ein Verbundschichtgrünling entfettet und in reduzierender Atmosphäre gebrannt, um eine mehrlagige AlN-Leiterplatte 41 herzustellen. Die Leiterplatte 41 bestand aus aufeinanderkaschierten AlN-Lagen 42, ersten und zweiten leitfähigen Wolframschichten 43a und 43b auf der Oberfläche und im Inneren einer der Lagen 42, einem ersten durchgängigen Loch 44a, das zum Verbinden der leitfähigen Schichten 43a und 43b mit einem leitfähigen Wolframwerkstoff gefüllt war, einem zweiten durchgängigen Loch 44b, das zum Verbinden der zweiten leitfähigen Schicht 43b mit einer "Ausnehmungs-"Seite der AlN-Verbundlage 42 mit einem leitenden Wolframwerkstoff gefüllt war, und einer Ausnehmung 45. Die Ausnehmung 45 ist größer als das Gegenstück des vorhergehenden Beispiels und ist mit einem flachen Boden versehen. Die Seitenfläche des Endteus des Kontaktstifts 46 ist mittels einer Hartlötschicht 47 an die Platte 41 angelötet
  • Bei der erhaltenen Baugruppe war unter besserer Benetzbarkeit zwischen Kontaktstift und Leiterplatte weniger Kohlenstoff abgelagert. Die mit Hilfe des Instron-Zugfestigkeitstestgeräts ermittelte Festigkeit der Bindung zwischen Kontaktstift und Leiterplatte betrug mindestens 58,8N (6 Kgf)/Stift und zeigte durchschnittlich einen sehr hohen Wert in der Größenordnung von 88,3N (9 Kgf)/Stift bei geringer Schwankung. Der mit Hilfe eines Hartlötmetalls innerhalb der Ausnehmung gebundene Kontaktstift und der unter dem durchgängigen Loch befindliche leitfähige Wolframschichtteil zeigte bei Messung ihres Widerstands (nur) eine geringe Widerstandserhöhung in der Größenordnung von weniger als mΩ. Es zeigte sich, daß das Harz auf Acrylbasis die Hartlötschicht nicht beeinträchtigte und daß jeder Stift mit dem leitfähigen Teil im durchgängige Loch in ohmschem Kontakt stand.
  • Es zeigte sich ferner, daß die Keramikbaugruppe dieses Beispiels im Vergleich zu einer üblichen Al&sub2;O&sub3;-Baugruppe (nur) einen Temperaturanstieg von 5 - 6ºC aufwies und folglich eine hervorragende Wärmeableitung besaß.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelementteils durch Befestigen von Endstiften (4) an einer eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden keramischen Schaltungsplatte (1) aus SiC oder AlN mittels einer Hartlötpastenschicht (3) aus einem Metallhartlötpulver mit Ag als Hauptelement und 2 - 15 Gew.-% mindestens eines Elements, ausgewählt aus Ti, Zr und Hf, einem Acrylbindemittel mit einer Carboxylgruppe als Substituentengruppe und einem organischen Lösungsmittel und Erwärmen des erhaltenen Gebildes zur Verbindung der Stifte (4) mit der Schaltungsplatte (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaltungsplatte (31) eine Ausnehmung (35) an einer Stelle, an welcher eine Verbindung mit einem entsprechenden Endstift (36) hergestellt werden soll, aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobie die Ausnehmung (35) in einer Stufe der Ausbildung eines folienartigen Keramikgrünlings gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gewichtsprozentuale Anteil an der Carboxylgruppe in dem Acrylbindemittel zwischen 1 und 5% liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Acrylbindemittel ein Molekulargewicht zwichen 5000 und 15000 aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erwärmen im wesentlichen in einer Stickstoffgasatmosphäre erfolgt.
5 7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Atmosphäre eine Sauerstoffverunreinigung unter 20 ppm aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem elektronischen Bauelementteil (9) um eine Keramik-Baugruppe handelt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem elektronischen Bauelementteil (9) um eine Baugruppe mit Stiftgitteranordnung handelt.
10. Elektronisches Bauelementteil, erhalten nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend eine eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisende keramische Schaltungsplatte (1) aus SiC oder AlN und Endstifte (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Endstifte aus einer Ni42% -Fe-Legierung bestehen und die keramische Schaltungsplatte und die Endstifte mit Hilfe eines Metallhartlötwerkstoffs
(3) mit Ag als Hauptelement und 2 - 15% Gew.-% mindestens eines aus Ti, Zr und Hf ausgewählten Elements aneinandergebunden sind.
11. Elektronisches Bauelementteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Schaltungsplatte (32) an einer Stelle, an der eine Verbindung mit einem entsprechenden Endstift (36) hergestellt werden soll, eine Ausnehmung (35) aufweist.
12. Elektronisches Bauelementteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ferner der Metallhartlötwerkstoff (3) Ag als Hauptelement und 2 - 10 Gew.-% Ti oder Zr enthält.
13. Elektronisches Bauelernentteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem elektronischen Bauelementteil (9) um eine keramische Baugruppe handelt.
14. Elektronisches Bauelementteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem elektronischen Bauelementteil (9) um eine Baugruppe mit Stiftgitteranordnung handelt.
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