-
Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden von Kontakten. Insbesondere
betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Bilden von Kontakten
zwischen einer keramischen Mehrschichtleiterplatte und einem Metallträgersubstrat.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Bei
niedrigen Temperaturen gebrannte mehrschichtige keramische Leiterplatten
sind dafür bekannt,
daß sie
für eine
Verwendung mit leitfähigen Metallen
niedriger Schmelztemperatur geeignet sind, wie zum Beispiel Silber,
Gold und Kupfer. Sie haben einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
(thermal coefficient of expansion, TCE) und sie können so
gestaltet werden, daß sie
sowohl mit Silizium- als auch Galliumarsenidvorrichtungen kompatibel
sind.
-
Diese
keramischen Leiterplatten sind aus Gläsern hergestellt, die bei niedrigen
Temperaturen gebrannt werden können,
d.h. bei Temperaturen von weniger als 1000°C. Die Leiterplatten werden
durch Beimischen von feingeteilten ausgewählten Glaspartikeln oder -pulvern
und optional von anorganischen Füllstoffen
mit organischen Materialien, welche Kunstharz, Lösungsmittel, Dispergiermittel
und ähnliches
aufweisen, hergestellt. Die resultierende Masse wird als ein dünnes Band,
Green-tape genannt, gegossen. Eine Schaltkreisstruktur kann in Siebdruck auf
das Green-tape aufgedruckt werden, wobei eine Leittintenzusammensetzung
verwendet wird, die ein leitfähiges
Metallpulver, einen organischen Träger und ein pulverisiertes
Glas, im allgemeinen das gleiche Glas, das zur Herstellung des Green-tape
verwendet wird, aufweist.
-
Eine
Mehrzahl von Green-tapes, die gedruckte Schaltkreise darauf aufweisen,
können
zusammengestapelt werden. In diesem Fall werden Durchgangslöcher in
die Green-tapes gestanzt, die mit einer leitfähigen Durchgangsfülltinte
gefüllt
werden, so daß ein
elektrischer Kontakt zwischen den Schaltkreisen auf den verschiedenen
Green-tapes hergestellt wird. Die Green-tapes werden dann ausgerichtet,
unter Hitze und Druck laminiert und gebrannt, um die organischen
Materialien zu entfernen und das Glas zu devitrifizieren.
-
In
jüngerer
Zeit wurden mehrschichtige keramische Leiterplatten für eine zusätzliche
mechanische Verstärkung
auf eine Metallträgerplatine
geklebt. Ein Bond-Glas kann verwendet werden, um den Metallträger zu beschichten
und Adhäsion
zwischen dem Träger
und den laminierten keramischen Schichten bereitzustellen. Ein zusätzlicher
Vorteil dieses Verfahrens ist, daß das Bond-Glas die Schrumpfung
der Green-tapes in den X- und Y-Dimensionen während des Brennens reduziert.
Daher tritt die meiste Schrumpfung in der Z-Dimension oder Dicke
auf. Das Ergebnis ist, daß Toleranzen
zwischen den Schaltkreisen und den Durchlaßlöchern reduziert werden können.
-
Die
zur Herstellung der Green-tapes verwendeten Gläser haben einen an den des
Metallträgers angepaßten TCE,
so daß eine
Delaminierung oder ein Springen des gebrannten Glases verhindert
wird. Der TCE der Green-tapes kann durch das Hinzufügen von
verschiedenen anorganischen Füllstoffen, einschließlich Metalloxiden
und Metallpulvern, zu der Green-tape-Masse modifiziert werden.
-
Die
mehrschichtigen Leiterplatten werden auf das Metallträgersubstrat
montiert und in Luft bei Temperaturen zwischen ungefähr 700 und
100°C gebrannt.
Dieses Brennen bildet eine dünne
oxidierte dielektrische Schicht auf dem Metallträgersubstrat, was einen guten
elektrischen Kontakt zwischen dem Metallträger und den Schaltkreisen auf
den mehrschichtigen Keramiken verhindert.
-
Das
Dokument US-A-5,581,876 lehrt die Herstellung einer strukturierten
Bond-Glasschicht auf einem Metallsubstrat.
-
Daher
mußten
Verfahren gefunden werden, um Kontakte mit niedrigem Widerstand
(1 Ohm oder weniger) zwischen dem Metallträgersubstrat und einer darauf
montierten mehrschichtigen Leiterplatte zu bilden und die Bildung
einer dielektrischen Schicht auf dem Trägersubstrat zu verhindern,
welche die Bildung von Kontakten mit niedrigem Widerstand verhindert.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Bilden von Metallkontaktflächen mit
niedrigem Widerstand auf einem Metallträgersubstrat für eine gedruckte
mehrschichtige keramische Leiterplatte bereitgestellt, mit
Bilden
einer strukturierten Schicht eines leitfähigen Metalls auf dem Metallträgersubstrat,
wobei das leitfähige
Metall aus dem gleichen Metall wie der Schaltkreis auf der gedruckten
keramsichen Leiterplatte hergestellt ist, und
Brennen des strukturierten
Trägers.
-
Metallträgerplatten
zum Unterstützen
einer mehrschichtigen keramischen Leiterplatte können so behandelt werden, daß sie die
Bildung einer dielektrischen Schicht zwischen dem Metallträger und
der darüberliegenden
mehrschichtigen keramischen Leiterplatte verhindern, auf welcher
sich Schaltkreise und Durchlässe
befinden, die aus einem leitfähigen Metall
mit niedriger Schmelztemperatur gebildet sind. Eine strukturierte
Schicht aus einem leitfähigen
Metall, wie zum Beispiel Silber und/oder Gold, wird auf dem nicht
gebrannten Metallträger
gebildet. Wenn das leitfähige
Metall mit niedriger Schmelztemperatur, das in der keramischen Leiterplatte
verwendet wird, aus Silber hergestellt ist, kann die strukturierte Schicht,
wenn sie aus Gold hergestellt ist, mit Silber abgedeckt werden,
wie zum Beispiel durch Siebdrucken mit einer frittenlosen Silbertinte.
Die resultierenden Kontaktflächen
können
mit den aus dem gleichen Metall auf der mehrschichtigen keramischen Leiter platte
hergestellten Schaltkreisen verbunden werden. Eine siebdruckbare
Silbertinte, die eine Glasfritte aufweist, kann direkt auf die Oberfläche des Metallträgers aufgetragen
werden. Die Kontaktflächen
werden dann gebrannt.
-
Kurz
vor dem Montieren der laminierten mehrschichtigen Leiterplatte auf
den Metallträger wird
eine leitfähige
Metalldickfilmtinte auf die Kontaktflächen aufgetragen. Das leitfähige Metall
ist so gewählt,
daß es
an das Metall der Schaltkreise und die Durchlaßöffnungsfülltinten der Leiterplatte angepaßt ist.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Die
hier anzugehende aufgegriffene Aufgabe besteht darin, die Bildung
einer dielektrischen Schicht auf einem Metallträgersubstrat zu verhindern,
welche einen guten elektrischen Kontakt stört, d.h. weniger als 1 Ohm
Widerstand zwischen dem Metallträgersubstrat
und einer mehrschichtigen keramischen Leiterplatte zu erhalten.
-
In
Abhängigkeit
von dem für
den metallischen Träger
ausgewählten
Metall, welches kupferkaschiertes Molybdän, kupferkaschiertes Kovar®, eine
Legierung aus Eisen, Nickel, Kobalt und Mangan, das von Carpenter
Technology hergestellt wird, Titan oder Ähnliches aufweisen kann, wird
die Keramik so gewählt,
daß sie
einen an den Metallträger
angepaßten
TCE aufweist. Es sind verschiedene Gläser und Keramikmischungen bekannt,
die einen TCE aufweisen, der an unterschiedliche Metallträgersubstrate
angepaßt
ist.
-
Die
vorliegende Erfindung wird dargestellt, wobei ein Nickel-plattiertes
kupferkaschiertes Molybdän-Trägersubstrat
verwendet wird und gedruckte Schaltkreise, welche Silberschaltkreise
verwenden und Silberdurchlaßöffnungsfülltinten,
aber es ist nicht gemeint, daß die
Erfindung darauf beschränkt
ist.
-
Gemäß der Erfindung
können
verschiedene Verfahren verwendet werden, um eine oder mehrere Kontaktflächen auf
die Metallträgerplatine
aufzubringen, so daß während der
verschiedenen, bekannten Schritte zum Zusammensetzen der verschiedenen gedruckten
Schaltkreise keine dielektrische Schicht auf dem Metallträgersubstrat
gebildet wird. Solche keramischen Schaltkreise können vergrabene Einrichtungen,
wie zum Beispiel Kondensatoren und Widerstände, aufweisen. In allen Fällen muß der Metallträger gesäubert werden,
so daß er
frei von dielektrischen Materialien auf der Oberfläche des
Trägers
ist.
-
Silberkontaktflächen können hergestellt
werden, wobei ein Zweischritt-Verfahren verwendet wird, welches
zunächst
ein elektrolytisches Abscheiden einer weichen Goldschicht aufweist,
wie zum Beispiel von einem Plattierbad, das als Technic Orotemp
24 von Technic Inc. angeboten wird. Das Plat tierbad kann mit einer
Maskenschicht auf dem Trägersubstrat
verwendet werden, wobei eine strukturierte Goldschicht direkt darauf
abgeschieden wird und dann Entfernen der Maskenschicht. Alternativ
kann eine nicht strukturierte Goldschicht aus dem Plattierbad abgeschieden
werden und die Metallschicht durch eine Maske zurückgeätzt werden,
so daß das
nicht erwünschte
Gold entfernt wird. Eine strukturierte Goldschicht wird daher mit
Goldflächen
dort gebildet, wo zukünftige
elektrische Verbindungen hergestellt werden sollen.
-
Eine
frittenlose Silberdickfilmtinte wird dann mittels Siebdruck aufgetragen,
so daß sie
Silberflächen über den
Goldflächen
bildet. Im allgemeinen sollten die Silberflächen geringfügig größer sein
als die darunterliegenden Goldflächen,
wieder um eine Bildung einer dielektrischen Schicht während dem nachfolgenden
Brennschritt zu verhindern.
-
Der
strukturierte Metallträger
wird dann getrocknet und in Luft oder Stickstoff gebrannt, wie zum Beispiel
durch Einführen
des Trägers
in einen Ofen. Die Temperatur wird über eine Periode von ungefähr einer
Stunde auf eine Spitzentemperatur von etwa 650 bis 900°C erhöht.
-
In
einem alternativen Verfahren werden Goldpunkte, zum Beispiel mit
ungefähr
0,254 mm (10 mil) im Durchmesser, auf das saubere Metallträgersubstrat
im Siebdruck aufgedruckt, wobei eine frittenlose Golddickfilmtinte
verwendet wird. Diese strukturierte Goldschicht wird dann getrocknet
und in Stickstoff gebrannt, wobei ein passendes Dickfilmbrennprofil
verwendet wird, bis zu einer Spitzentemperatur von ungefähr 650°C. Mit einem
passenden Brennprofil ist gemeint, daß die Temperatur stufenweise angehoben
wird, zuerst, um die organischen Materialien in der Dickfilmtinte
zu entfernen und dann, um das Brennen der Metallschicht abzuschließen.
-
Eine
frittenlose Silberdickfilmtinte wird dann im Siebdruck auf das gebrannte
Trägersubstrat über die
Goldpunkte gedruckt. Diese Silberschicht wird dann getrocknet und
in Luft oder Stickstoff über
ungefähr
eine Stunde mit einer Spitzentemperatur von ungefähr 650 bis
900°C gebrannt,
so daß die
organischen Materialien entfernt werden und die Silberpartikel zusammengesintert
werden.
-
In
noch einem weiteren Verfahren können Silberkontaktflächen im
Siebdruck direkt auf das Metallträgersubstrat gedruckt werden,
wobei eine glasgefüllte
Silberkontakttinte verwendet wird, die ein Reduziermittel aufweist.
Diese Tinte wird dann getrocknet und in Luft über einen Zeitraum von einer
Stunde mit einer Spitzentemperatur von ungefähr 800 bis 850°C gebrannt.
-
Die
resultierenden gebrannten Metallträgersubstrate weisen Kontaktflächen auf,
die elektrisch mit darüberliegenden
mehrschichtigen gedruckten Schaltkreisen verbunden werden können, aber
die keine dielektrische Schicht unter den Kontakten aufweisen. Eine
Bondglasschicht, wie sie zum Beispiel von Prabhu et al. in US-A-5,581,876
offenbart wurde, kann über
dem verbleibenden Teil des Trägersubstrats
durch Siebdrucken einer Bondglastinte abgeschieden werden, wodurch
Abschei dungen über
den Kontakten vermieden werden, welche die Kontaktflächen mit
niedrigem Widerstand stören.
-
Nachdem
die strukturierte Silberschicht auf das Trägersubstrat aufgetragen und
gebrannt wurde, werden die vorbereiteten mehrschichtigen Stapel
aus Green-tape, die leitfähige
Schaltkreise auf ihrer Oberfläche
aufweisen, und gefüllte
konduktive Durchlaßöffnungen,
um elektrische Verbindungen zwischen den Schaltkreisen auf den Green-tapes
bereitzustellen, ausgerichtet und unter Hitze und Druck laminiert,
wobei konventionelle Techniken verwendet werden. Kurz vor dem Montieren
der laminierten Green-tapes auf das Trägersubstrat wird eine frittenlose
Silberdickfilmtinte im Siebdruck aufgedruckt, so daß eine frische
Silberschicht auf den bereits gebildeten Kontaktflächen abgeschieden
wird.
-
Die
Erfindung wird weiter in dem folgenden Beispiel beschrieben, aber
es ist nicht beabsichtigt, daß die
Erfindung auf die hierin beschriebenen Details beschränkt ist.
-
Beispiel
-
Eine
Silberkontakttinte wurde durch Mischen von 3,13 Gramm Silberpulver,
verkauft als „SF15", 3,13 Gramm Silberpulver „SFC" und 6,25 Gramm Silberflocken „SPQ", alle von der Firma
Degussa vertrieben, zusammen mit 0,8 Gramm amorphem Borpulver, 1,5
Gramm eines Glases mit niedrigem TCE, welches 28,68 Gramm Zinkoxid,
5,92 Gramm Magnesiumoxid, 6,21 Gramm Bariumoxid, 15,36 Gramm Aluminiumoxid
(Tonerde) und 43,82 Gramm Quarz aufweist, hergestellt. Die anorganischen
Materialien werden mit einem anorganischen Träger gemischt, mit a) 0,8 Gramm
einer Kunstharzlösung,
welche 7,5 Gramm Ethylzelluloseharz aufweist, das ein Molekulargewicht
von 300 hat, 55,0 Gramm Butylkarbitol und 37,0 Gramm Terpinol Lösungsmittel,
b) 0,8 Gramm einer 5% Ethylzelluloselösung in Terpinol, c) 1,3 Gramm
einer 13% Lösung
eines Harz-Elvacite 2045, das von ICI Acrylics in Terpinol-Lösungsmittel verkauft
wird und d) 0,2 Gramm einer 1:1-Mischnung von Lecitin in Terpinol.
Die resultierende Silbertinte kann verwendet werden, um direkt Silberkontaktflächen auf
das oben beschriebene Trägersubstrat
zu drucken. Diese Kontaktflächen
werden dann in Luft für
eine Stunde bei einer Spitzentemperatur zwischen ungefähr 800 und
850°C gebrannt.
-
Ein
Stapel Green-tape, der aus richtig ausgewählten Gläsern und geeigneten organischen
Trägern
hergestellt ist, wobei die Green-tapes mit den gewünschten
Schaltkreisen siebbedruckt sind und elektrisch mit einer Silberdurchlaßöffnungsfülltinte verbunden
sind, wurde ausgerichtet und unter Hitze und Druck laminiert.
-
Eine
frische frittenlose Silberdickfilmtintenschicht wurde im Siebdruck
auf die gebildeten Silberkontaktflächen auf dem Trägersubstrat
aufgedruckt und der zusammengesetzte Green-tape Stapel ausgerichtet
und auf dem Trägersubstrat
montiert. Die resultierende Anordnung wurde auf bekannte Weise gebrannt,
so daß die
organischen Materialien entfernt werden, das Glas der Green-tapes
und/oder der Silbertinte gesintert wird und der Green-tape Stapel auf
das Trägersubstrat
geklebt wird.
-
Es
sind andere Gläser
bekannt, die an andere Metallträgersubstrate
TCE-angepaßt
sind. Zum Beispiel kann ein Green-tape aus einem Zn-Mg-Borsilikatglas
hergestellt werden, welches 20 bis 40% Zinkoxid, 15 bis 35% Magnesiumoxid,
15 bis 30% Boroxid und 15 bis 30% Siliziumoxid, alle in Gew.-%, aufweist. Dieses
Glas kann hergestellt werden, wobei es zum Beispiel 5 bis 8% Forsterit-Füllstoff
aufweist und an ein kupferkaschiertes Kovar®-Trägersubstrat
TCE-angepaßt
ist.
-
Obwohl
die Erfindung in Bezug auf ein direktes Verbinden eines Schaltkreises
aus einem Green-tape
Stapel mit einem Bond-Tape auf der Oberfläche des Trägersubstrats beschrieben wurde, kann
das vorliegende Verfahren auch verwendet werden, um eine Prägebondfläche auf
dem Metallträgersubstrat
abzuscheiden, die verwendet werden kann, um eine montierte Einrichtung,
zum Beispiel auf der Rückseite
des Trägersubstrats,
welches mit Masse verbunden ist, elektrisch zu kontaktieren. In diesem
Fall kann der vor dem Montieren des mehrschichtigen Green-tape Stapels
auf das Trägersubstrat
im Siebdruck aufgedruckte frittenlose Silberdickfilm durch ein Silberpalladiumpulver
oder ein anderes geeignetes Metallpulver ersetzt werden oder aus
diesem hergestellt werden. Nach dem Brennen können diese ungeschützten Kontaktflächen mit
Metallen, wie zum Beispiel Kupfer, Nickel oder Gold plattiert werden.