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DE69300907T2 - Keramisches Mehrschichtsubstrat mit Gradienten-Kontaktlöchern. - Google Patents

Keramisches Mehrschichtsubstrat mit Gradienten-Kontaktlöchern.

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DE69300907T2
DE69300907T2 DE69300907T DE69300907T DE69300907T2 DE 69300907 T2 DE69300907 T2 DE 69300907T2 DE 69300907 T DE69300907 T DE 69300907T DE 69300907 T DE69300907 T DE 69300907T DE 69300907 T2 DE69300907 T2 DE 69300907T2
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ceramic
via holes
layer
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metallic material
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John Ulrich Knickerbocker
Charles Hampton Perry
Donald Rene Wall
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Original Assignee
International Business Machines Corp
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf keramische Mehrschichtsubstrate und spezieller auf keramische Mehrschichtsubstrate, die zur Elektronikverkapselung verwendbar sind, und auf ein Verfahren zur Herstellung derartiger Substrate.
  • Strukturen aus Glas, Keramik und Glaskeramik (im folgenden einfach Keramik), üblicherweise und bevorzugt mit mehreren Schichten, werden bei der Herstellung von elektronischen Substraten und Bauelementen verwendet. Es können viele verschiedene Typen von Strukturen verwendet werden, und ein paar dieser Strukturen sind im folgenden beschrieben. Zum Beispiel kann ein keramisches Mehrschicht-Schaltkreissubstrat strukturierte Metallschichten beinhalten, die als elektrische Leiter wirken, die zwischen als Isolatoren wirkende Keramikschichten geschichtet sind. Die Substrate können mit Kontaktierungsinseln zum Anbringen von Halbleiterchips, Verbindungsleitungen, Kondensatoren, Widerständen, Abdeckungen etc. ausgelegt sein. Eine Verbindung zwischen vergrabenen Leiterebenen kann über Durchkontakte erzielt werden, die durch mit Metallpaste gefüllte Löcher in den einzelnen Keramikschichten, die vor einer Laminierung erzeugt werden, gebildet werden und aus denen sich beim Sintern eine gesinterte, dichte Metallverbindung von auf Metall basierenden Leiterelementen bildet.
  • Im allgemeinen werden herkömmliche Keramikstrukturen aus keramischen Rohschichten gebildet, die durch Mischen einer keramischen Partikeldispersion, eines thermoplastischen polymeren Bindemittels, Plastifizierern und Lösungsmitteln gebildet werden. Diese Zusammensetzung wird in keramische Schichten oder Schlicker verteilt oder gegossen, von denen die Lösungsmittel anschließend verflüchtigt werden, um kohärente und selbsttragende, flexible Rohschichten zu erzeugen. Nach Stanzen, Durchkontaktbildung, Stapeln und Laminieren werden die Rohschichtlaminate eventuell bei Temperaturen gebrannt, die ausreichend sind, um das polymere Bindemittelharz auszutreiben und die keramischen Partikel in ein verdichtetes Keramiksubstrat zusammenzusintern.
  • Die elektrischen Leiter, die bei der Bildung des elektronischen Substrats verwendet werden, können aus Metallen mit hohem Schmelzpunkt, wie Molybdän und Wolfram, oder einem Edelmetall, wie Gold, bestehen. Es ist jedoch wünschenswerter, einen Leiter zu verwenden, der einen niedrigen elektrischen Widerstand und geringe Kosten aufweist, wie Kupfer und Legierungen desselben.
  • Gegenwärtige Keramiksubstrate nach dem Stand der Technik werden aus Materialien aus Cordierit-Glaskeramikpartikeldispersionen hergestellt, wie jenen, die in Kumar et al. US-A 4 301 324 offenbart sind. Diese Substrate zeigen eine Dielektrizitätskonstante von etwa 5 und einen thermischen Ausdehnungskoeffizient (TCE), der gut zu jenem von Silicium paßt. Es ist wünschenswert, Substrate aus Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante zu fertigen, um die Signalausbreitungsgeschwindigkeit zu erhöhen, die sich invers mit der Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante ändert.
  • Vor den Cordierit-Glaskeramikmaterialien war Aluminiumoxid für eine Anzahl von Jahren ein adäquates dielektrisches Material zur mikroelektronischen Verkapselung. Aluminiumoxid besitzt jedoch eine Dielektrizitätskonstante von nahezu 10, was eine große Signalausbreitungsverzögerung und ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis verursacht. Des weiteren besitzt Aluminiumoxid einen etwa doppelt so hohen TCE wie Silicium, was sich auf die thermische Ermüdungsbeständigkeit der Verkapselung auswirkt. Für anspruchslosere Anwendungen wird jedoch Aluminiumoxid (ebenso wie andere ähnliche Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 10 und darunter) für einige Zeit in der Zukunft verwendet werden.
  • Die vorliegenden Erfinder haben jedoch ein besorgniserregendes Problem entdeckt, das sich bei vielen keramischen Mehrschichtmaterialien und aus denselben gefertigten Substraten findet.
  • Es wurde von anderen festgestellt, daß die Durchkontakte nicht vollständig dicht an das Keramikmaterial anschließen, woraus möglicherweise eine Lücke zwischen dem metallischen Durchkontakt und dem keramischen Volumenmaterial resultiert. Diese Lücke ist unerwünscht, da sie sowohl die Hermetik des gefertigten Substrates reduziert als auch erlaubt, daß während der Fertigung Fluide in das Substrat eindringen. Demgemäß wurde in Farooq et al., US-A 5 073 180 vorgeschlagen, wenigstens die obere Schicht eines keramischen Mehrschichtsubstrats mit einem zusammengesetzten Durchkontaktmaterial zu versiegeln, das aus metallischen und keramischen (einschließlich Glas-) Materialien besteht. Die inneren Durchkontakte bestehen im wesentlichen nur aus Metall. Wie von Siuta US-A 4 594 181 gelehrt, können die inneren Durchkontakte auch kleine Mengen von Aluminiumoxid oder anderen Bestandteilen beinhalten, um die Verdichtung der metallischen Durchkontakte zu verhindern.
  • Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, daß an der Grenzfläche zwischen den Kompositversiegelungsdurchkontakten und den metallischen inneren Durchkontakten und/oder an der Grenzfläche zwischen dem inneren Durchkontakt und der Volumenkeramik eine Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ein gewisser Unterschied in dem Verdichtungsverhalten während eines gemeinsamen Brennens vorliegt, was die Grenzfläche anfällig für ein Ermüdungsversagen macht, wenn das Substrat während der Bearbeitung nach dem Brennen thermischer mechanischer Spannung ausgesetzt ist. Das Resultat besteht darin, daß eine irreparable Öffnung an einer der obigen Grenzflächen innerhalb des Substrats auftreten kann. Wenn das die Öffnung enthaltende Netz nicht umgeleitet werden kann, muß das gesamte Substrat verworfen werden.
  • Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Substrat zu besitzen, das nicht an derartigen thermischen, sich durch Ermüdung verstärkenden Öffnungen leidet.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Substrates zu besitzen.
  • Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden nach Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der Erfindung bei Betrachtung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlicher werden.
    • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Ziele der Erfindung wurden gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch Bereitstellen eines keramischen Mehrschichtsubstrates für elektronische Anwendungen erfüllt, das beinhaltet:
  • (a) wenigstens eine innere Schicht mit Durchkontaktlöchern, die mit einem metallischen Material gefüllt sind;
  • (b) wenigstens eine Versiegelungsschicht mit Durchkontaktlöchern, die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem und metallischem Material besteht; und
  • (c) wenigstens eine Übergangsschicht, die sich zwischen der inneren und der Versiegelungsschicht befindet, mit Durchkontaktlöchern, die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem und metallischem Material besteht, das jedoch weniger keramisches und mehr metallisches Material äls die Durchkontaktlöcher der Versiegelungsschicht und weniger metallisches Material als die Durchkontaktlöcher der inneren Schicht aufweist, wobei die Durchkontaktlöcher von der wenigstens einen inneren Schicht, die Durchkontaktlöcher von der wenigstens einen Übergangsschicht beziehungsweise die Durchkontaktlöcher von der wenigstens einen Versiegelungsschicht zueinander ju- stiert sind.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Mehrschichtsubstrats für elektronische Anwendungen bereitgestellt, wobei das keramische Mehrschichtsubstrat wenigstens eine innere Schicht mit Durchkontaktlöchern, die mit einem metallischen Material gefüllt sind, und wenigstens eine Versiegelungsschicht mit Durchkontaktlöchern beinhaltet, die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem und metallischem Material besteht, wobei das Verfahren folgenden Schritt beinhaltet:
  • Zwischenfügen von wenigstens einer Übergangsschicht zwischen die innere Schicht und die Versiegelungsschicht, wobei die Übergangsschicht Durchkontaktlöcher aufweist, die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem und metallischem Material besteht, das jedoch weniger keramisches und mehr metallisches Material als die Durchkontaktlöcher der Versiegelungsschicht und weniger metallisches Material als die Durchkontaktlöcher der inneren Schicht aufweist, wobei die Durchkontaktlöcher von der wenigstens einen inneren Schicht, die Durchkontaktlöcher von der wenigstens einen Übergangsschicht beziehungsweise die Durchkontaktlöcher von der wenigstens einen Versiegelungsschicht zueinander justiert sind.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • FIG. 1 ist eine Teilquerschnittsansicht eines keramischen Mehrschichtsubstrats nach dem Stand der Technik.
  • FIG. 2 ist eine Teilquerschnittsansicht eines keramischen Mehrschichtsubstrats mit abgestuften Durchkontakten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • FIG. 3 ist eine Teilquerschnittsansicht, welche die Verwendung der abgestuften Durchkontakte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die obere und die untere Schicht eines keramischen Mehrschichtsubstrats darstellt.
  • FIG&sub4; 4 ist eine Teilquerschnittsansicht eines keramischen Mehrschichtsubstrats mit einer Mehrzahl von Schichten mit abgestuften Durchkontakten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist auf keramische Mehrschichtsubstrate für elektronische Anwendungen anwendbar. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist auf keramische Mehrschichtsubstrate gerichtet, die Glaskeramikschichten und Kupfer-Durchkontakte beinhalten. Es wird jedoch angenommen, daß die vorliegende Erfindung ebensogut auf andere Materialkombinationen anwendbar ist, wie Palladium, Gold und Silber in niedrig gebrannten MLC- Substraten, wie Borsilicatglas, das keramische Zusätze beinhaltet (sogenanntes Glas plus Keramiken). Als weiteres Beispiel besitzen Aluminiumoxidsubstrate typischerweise innere Durchkontakte aus Wolfram oder Molybdän und Versiegelungsdurchkontakte aus Wolfram oder Molybdän plus Glas. Es ist ein Potential für erhöhte mechanische Spannung an der Grenzfläche dieser zwei Typen von Durchkontakten vorhanden; daher wird angenommen, daß eine Übergangsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung auch für diese Materialkombination nützlich wäre.
  • Detaillierter bezugnehmend auf die Figuren und insbesondere bezugnehmend auf FIG. 1, ist dort die Anordnung von Schichten in einem keramischen Mehrschichtsubstrat 10 (im folgenden MLC-Substrat) nach dem Stand der Technik gezeigt. Eine innere Schicht 12 weist Durchkontakte 14 auf, die mit einem leitfähigen Metall gefüllt sind. Wie allgemein bekannt ist, ist üblicherweise eine Mehrzahl derartiger innerer Schichten 12 vorhanden, da diese Schichten im wesentlichen die gesamte innere Verdrahtung des Substrates tragen. Des weiteren bestehen, um den spezifischen elektrischen Widerstand des Substrates auf einem Minimum zu hal- ten, die Durchkontakte 14 und die gesamte Verdrahtung vorwiegend aus einem leitfähigen Metall. Es wurde festgestellt, daß bestimmte keramische Zusätze, wie Aluminiumoxid oder andere legierende Zusätze und/oder organische Additive, von Nutzen sind, um die Verdichtung des leitfähigen Metalls zu steuern und damit an die Verdichtungsrate des umgebenden keramischen Volumenmaterials genauer zu approximieren. Diese anderen Zusätze können in Abhängigkeit von der Funktion und der erkannten Notwendigkeit des Zusatzes in einem Bereich von Parts per million bis zu mehreren Prozent vorliegen. Es ist selbstverständlich allgemein bekannt, daß eine Erhöhung der Menge des anorganischen Zusatzes den spezifischen elektrischen Widerstand des gebrannten metallischen Leiters erhöht, so daß es bevorzugt ist, diese Zusätze auf einem Minimum zu halten. Die Bestimmung der genauen Zusammensetzung der Durchkontakte 14 liegt ohne weiteres innerhalb der Kompetenz des Fachmanns.
  • Ungeachtet des Vorhandenseins der Zusätze, wie Aluminiumoxid, wie oben erwähnt, kommt es vor, daß zwischen dem Durchkontakt 14 und der Keramik 18 eine Lücke 16 gebildet wird. Um das Eindringen von Flüssigkeiten während des Verfahrensablaufs zu verhindern und ansonsten die Hermetik des Substrates 10 aufrechtzuerhalten, kann eine Versiegelungsschicht 20 zu dem Substrat 10 hinzugefügt werden. Wie aus FIG. 1 ersichtlich, ist zwischen einem Durchkontakt 22 und einer Keramik 24 keine Lücke vorhanden. Der Durchkontakt 22 in der Versiegelungsschicht 20 ist ein Kompositmaterial, das aus keramischem Material und leitfähigem Metall besteht. Der sogenannte Kompositdurchkontakt wird so gefertigt, daß er sich während des gemeinsamen Brennens sehr eng mit jenem der Keramik 24 verdichtet, und ist so ausgelegt, daß er einen thermischen Ausdehnungskoeffizient (TCE) aufweist, der jenem der Keramik 24 nahekommt. Um dies zu erreichen, weist der Durchkontakt 22 einen sehr hohen Prozentsatz an Glas auf, möglicherweise 50 Volumenprozent oder mehr. So weicht der TCE des Durchkontakts 22, während der Durchkontakt 22 dem TCE der Keramik 24 nahekommt, beträchtlich von jenem des Durchkontakts 14 ab.
  • Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, daß sowohl der Unterschied im TCE zwischen den Durchkontakten 14 und 22 sowie zwischen dem Durchkontakt 14 und der Volumenkeramik als auch der Unterschied der zwei Durchkontakte im Gehalt an leitfähigem Metall eine Erhöhung der mechanischen Spannung an der Grenzfläche 26 zwischen den Durchkontakten 14 und 22 verursacht. Während eines thermischen Zyklus kann die Grenzfläche 26 anfällig für eine thermische Ermüdung werden, was zu einem Bruch in dem Durchkontakt an oder nahe der Grenzfläche 26 führt, wodurch eine Öffnung in dem elektrischen Netz verursacht wird, von dem die Durchkontakte 14 und 22 einen Teil bilden.
  • Die Erfinder haben daher eine Übergangsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen der inneren Schicht und der Versiegelungsschicht vorgeschlagen.
  • Nun bezugnehmend auf FIG. 2, ist dort ein MLC-Substrat 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Substrat 30 weist wenigstens eine innere Schicht 32 mit Durchkontakten 34 auf, die mit einem metallischen Material gefüllt sind. Zwischen dem Durchkontakt 34 und der Keramik 36 kann eine Lücke 38 vorhanden sein. Das Substrat 30 weist ebenfalls wenigstens eine Versiegelungsschicht 40 mit Durchkontakten 42 auf, die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem und metallischem Material besteht. Schließlich liegt wenigstens eine Übergangsschicht 46 vor, die sich zwischen der inneren Schicht 32 und der Versiegelungsschicht 40 befindet. Die Übergangsschicht 46 besitzt Durchkontakte 48, die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem und metallischem Material besteht. Im Fall der Durchkontakte 48 der Übergangsschicht ist jedoch weniger keramisches Material, aber mehr metallisches Material als in den Durchkontakten 42 der Versiegelungsschicht 40 und weniger metallisches Material als in den Durchkontakten 34 der inneren Schicht 32 vorhanden. Die Beziehung zwischen den Durchkontakten 34, 42 und 48 ist aus FIG. 2 ohne weiteres ersichtlich, aus der entnehmbar ist, daß der Durchkontakt 42 die mei- sten keramischen Partikel 52 aufweist, der Durchkontakt 48 weniger keramische Partikel 52 aufweist und der Durchkontakt 34 die wenigsten oder vorwiegend keine keramischen Partikel 52 aufweist, wenngleich, wie früher erwähnt, der Durchkontakt 34 bestimmte keramische und/oder andere Zusätze enthalten kann, um die Verdichtung und den spezifischen elektrischen Widerstand zu steuern. Wenn der Durchkontakt 34 Zusätze aus keramischem Material enthält, liegen sie in einer Menge vor, die geringer als jene ist, die in dem Durchkontakt 48 vorhanden ist.
  • Wenngleich der Deutlichkeit halber lediglich ein Durchkontakt in jeder Schicht gezeigt ist, ist in jeder Schicht typischerweise eine Mehrzahl derartiger Durchkontakte vorhanden.
  • Wiederum gibt es eine Lücke zwischen dem Durchkontakt 34 und der Keramik 36 in der Schicht 32. Wie erwartet liegt keine Lücke zwischen dem Durchkontakt 42 und der Keramik 44 in der Schicht 40 vor. Bei der vorliegenden Erfindung ist nun außerdem zwischen dem Durchkontakt 48 und der Keramik 50 in der Schicht 46 eine sehr geringfügige Lücke oder keine Lücke vorhanden.
  • Die Erfinder haben festgestellt, daß durch Herstellen eines Gradienten in den Durchkontakten in der inneren, der Übergangs- und der Versiegelungsschicht die mechanischen Spannungen, die normalerweise an den Grenzflächen 54 und 56 entstehen würden, deutlich reduziert sind, wodurch das frühere Problem von Öffnungen im wesentlichen eliminiert wird.
  • Wenngleich nicht gewünscht ist, auf irgendeine spezielle Theorie festgelegt zu werden, nehmen die vorliegenden Erfinder an, daß die Übergangsschicht dahingehend wirkt, daß eine möglicherweise schlechte Grenzfläche durch zwei gute Grenzflächen ersetzt wird. Eine neue Grenzfläche liegt zwischen den Durchkontakten 42 und 48, und die andere neue Grenzfläche liegt zwischen den Durchkontakten 48 und 34. Was die erste neue Grenzfläche betrifft, wird zwischen den Durchkontakten eine nahezu perfekte Anpassung der Verdichtung erzielt, es liegt ein vollständiges Pinning von bei- den Durchkontakten vor, so daß keine Konzentration der elastischen Verformung vorhanden ist, wobei eine Keramik/Keramik- und Metall/Metall-Bindung zwischen den Durchkontakten erzielt wird und der TCE von beiden Durchkontakten näher beieinander liegt. Was die zweite Grenzfläche betrifft, ist eine viel größere Metall/Metall-Kontaktfläche über die Grenzfläche hinweg vorhanden, und der TCE beider Durchkontakte liegt näher beieinander.
  • In der Praxis bilden die Schichten 32, 46 und 40 die oberen Mehrfachschichten des Substrats 30, wobei die Versiegelungsschicht 40 die äußerste Schicht ist. Ein zweiter Satz von Schichten 32, 46 und 40 bildet die unteren Mehrfachschichten des Substrats 30, wobei die Versiegelungsschicht 40 wiederum die äußerste Schicht ist, dann folgen die Übergangsschicht 46 und schließlich die innere Schicht 32, wie in FIG. 3 gezeigt.
  • Es kann und wird üblicherweise auch eine Mehrzahl von inneren Schichten 32 vorliegen, da diese Schichten im wesentlichen die gesamte innere Verdrahtung des Substrats 30 tragen. Es kann wünschenswert sein, daß dort auch eine Mehrzahl von Versiegelungsschichten vorhanden ist. Es kann auch wünschenswert sein, daß wenigstens eine zusätzliche Übergangsschicht benachbart zu einer dieser Mehrzahl von inneren Schichten vorhanden ist.
  • Bei einer weiteren Variation der vorliegenden Erfindung kann eine Mehrzahl von Übergangsschichten vorhanden sein, wie in FIG. 4 gezeigt. Zwecks Erläuterung und nicht zwecks Beschränkung liegen nun drei Übergangsschichten 46', 46" und 46"' vor. In Abhängigkeit von Materialien, Leistungsfähigkeit und Anwendung können mehr oder weniger als drei vorhanden sein. Die Zusammensetzung von jedem der Durchkontakte 48', 48" und 48"' kann die gleiche sein. Bevorzugter sind die Durchkontakte 48', 48" und 48"' sämtlich Kompositdurchkontakte, wobei die Menge an keramischem Material 52, das in jedem Durchkontakt enthalten ist, vom Durchkontakt 48' zum Durchkontakt 48"' abnimmt. Auf diese Weise ist der Übergang an jeder Grenzfläche äußerst abgestuft, wodurch die Möglichkeit irgendeiner mechanischen Spannung, die an den Grenzflächen entsteht, weiter reduziert wird.
  • Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Volumenkeramik, die das MLC-Substrat ausmacht, und die Keramik in den Kompositdurchkontakten aus den Cordierit- und Spodumen-Glaskeramikmaterialien ausgewählt sein, die in Kumar et al., US-A 4 301 324, oben erwähnt, offenbart sind. Weitere Glaskeramikmaterialien umfassen zum Beispiel Eucryptit und Anorthit. Glaskeramikmaterialien sind eine anerkannte Klasse von Materialien, die als Gläser starten, die jedoch bei Erwärmung eine Entglasung durchmachen und wenigstens teilweise kristallisiert werden. Einige Beispiele sind in Tabelle 1 angegeben.
  • Weder braucht die Glaskeramik in den Kompositdurchkontakten die gleiche zu sein wie jene in der Volumenkeramik, noch braucht die Glaskeramik in den Durchkontakten der Versiegelungsschicht die gleiche zu sein wie die Glaskeramik in den Durchkontakten der Übergangsschicht oder den Durchkontakten in der inneren Schicht (wenn die inneren Schichten ein Glaskeramikmaterial enthalten, wie im folgenden erörtert). Die Wahl des Glaskeramikmaterials ist durch die Festigkeit, die Verdichtungseigenschaften und den TCE vorgegeben. Es kann außerdem wünschenswert sein, Keramik oder andere Zusätze hinzuzufügen, wobei Aluminiumoxid nur ein Beispiel ist, um das Verdichtungsverhalten der Kompositdurchkontakte zu steuern.
  • Die Durchkontakte der inneren Schicht können außerdem keramisches Material enthalten, um die Verdichtung und den TCE zu steuern. Ein derartiges keramisches Material kann Aluminiumoxid (wie zuvor erörtert) und/oder Glaskeramikmaterialien beinhalten. Wenn die Durchkontakte der inneren Schicht keramische Materialien enthalten, sollten diese in einer Menge vorliegen, die geringer als jene ist, die in den Durchkontakten der Übergangsschicht vorhanden ist. TABELLE 1 GLASKERAMIKZUSAMMENSETZUNGEN (GEWICHTSPROZENT)
  • Es wurde festgestellt, daß die am meisten bevorzugte Zusammensetzung der Durchkontakte der Versiegelungsschicht 40 Volumenprozent bis 90 Volumenprozent Glaskeramik und 60 Volumenprozent bis 10 Volumenprozent metallisches Material beträgt, wobei das am meisten bevorzugte metallische Material Kupfer ist. Die Zusammensetzung der Durchkontakte der Übergangsschicht kann in Abhängigkeit vom geeigneten Ausbalancieren von Zuverlässigkeit und spezifischem elektrischem Widerstand variieren. Minimal weisen die Durchkontakte der Übergangsschicht vorzugsweise etwa 6 Volumenprozent Glaskeramik, möglicherweise bis herunter zu 4 Volumenprozent, auf, um geeignete Verdichtungseigenschaften zu gewährleisten. Der maximale Glaskeramikanteil in den Durchkontakten der Übergangsschicht sollte etwa 50 Volumenprozent betragen.
  • Die Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele offensichtlicher werden;
    • Beispiele Beispiele I
  • Es wurde eine Anzahl von MLC-Substraten gefertigt, um die Effektivität der Erfindung zu demonstrieren.
  • Es lag eine Gesamtzahl von 17 Rohlaminaten aus Glaskeramik vor, die in der herkömmlichen Weise hergestellt waren, wie jener in Herron et al. US-A 4 234 367 offenbarten. Die Laminate wiesen eine Gesamtzahl von 68 Schichten auf. Die oberen drei und die unteren vier Schichten waren Versiegelungsschichten und besaßen Durchkontakte, die mit einer Paste gefüllt waren, die, auf der Grundlage der volumenprozentualen Anteile der Feststoffe, aus 40 Volumenprozent Kupfer (mit einer Partikelgröße von vorwiegend 0,6 Mikrometer bis 1,5 Mikrometer) und 60 Volumenprozent kristallisierbarem Glas (mit einer Durchschnittsgröße der Partikel von 3,5 Mikrometer) bestand. Die Paste beinhaltete außerdem herkömmliche Bindemittel, Agenzien zum Steuern des Fließens etc..
  • In dreizehn der Laminate war eine Übergangsschicht benachbart zu der oberen und der unteren Versiegelungsschicht enthalten, wie in FIG. 3 gezeigt. Die Durchkontakte der Übergangsschicht in sechs der Laminate waren mit einer Paste gefüllt, die, auf der Grundlage der volumenprozentualen Anteile der Feststoffe, aus 55 Volumenprozent Kupfer und 45 Volumenprozent kristallisierbarem Glas bestand, während sieben der Laminate mit einer Paste gefüllt waren, die, auf der Grundlage der volumenprozentualen Anteile der Feststoffe, aus 90 Volumenprozent Kupfer und 10 Volumenprozent kristallisierbarem Glas bestand. Die Partikelgröße des Kupfers betrug vorwiegend 5,1 Mikrometer bis 7,5 Mikrometer, während die Durchschnittsgröße der Partikel aus kristallisierbarem Glas 3,5 Mikrometer betrug. Die verbleibenden vier Laminate wiesen keine Übergangsschicht auf, besaßen jedoch stattdessen eine weitere Versiegelungsschicht auf der Oberseite und der Unterseite. Die Durchkontakte in den verbleibenden inneren Schichten waren mit einer Kupferpaste gefüllt (die Partikelgröße des Kupfers betrug vorwiegend 5,1 Mikrometer bis 7,5 Mikrometer), wobei die Kupferpartikel mit irgendeinem Material zwischen 0 ppm und 400 ppm Aluminiumoxid überzogen waren.
  • Das kristallisierbare Glas in den Kompositdurchkontakten und der Volumenkeramik war das gleiche. Das kristallisierbare Glas ist von dem in Tabelle I gezeigten Typ.
  • Die Laminate wurden dann gemäß dem folgenden Ablauf gesintert. Die Temperatur wurde auf 705 ºC bis 725 ºC in einer Atmosphäre von nassem N2 hochgefahren, gefolgt von einem Ausbrennen des Bindemittels in einer Dampfumgebung. Nachfolgend wurde die Atmosphäre durch eine Formiergasatmosphäre ersetzt, und dann wurde die Temperatur auf 975 ºC in N2 hochgefahren. Die Atmosphäre wurde dann in eine Dampfumgebung geändert, und die Erwärmung bei 975 ºC wurde fortgesetzt, um den zweiten Schritt zu vervollständigen. Die Laminate wurden dann abgekühlt, zuerst in der Dampfumgebung und dann in N2.
  • Nach dem Sintern wurden die MLC-Substrate hinsichtlich Kontinui- tät getestet, und es wurden in allen Substraten keine Öffnungen gefunden. Die Substrate wurden dann einer harten Testbedingung unterzogen, die aus 160 Zyklen thermischer mechanischer Spannung mit einem Temperatur-Delta von 220 ºC, gefolgt von 80 Zyklen thermischer mechanischer Spannung mit einem Temperatur-Delta von 400 ºC bestand.
  • Nach dem letzten Satz thermischer Zyklen wurden die Substrate erneut hinsichtlich Kontinuität getestet. Jene vier Substrate ohne die Übergangsschicht versagten, was anzeigt, daß jedes der vier Substrate wenigstens 90 Öffnungen pro Substrat aufwies. Andererseits erlitten jene Substrate mit der Übergangsschicht keine Öffnungen, womit effektiv die vorteilhaften Aspekte der Erfindung demonstriert sind.
    • Beispiele II
  • Es wurde eine Serie von Proben hergestellt, die aus Kupferpartikeln und einem kristallisierbaren Glas bestanden, um das Verdichtungsverhalten der Materialien der Kompositdurchkontakte zu demonstrieren. Einige der Proben enthielten außerdem Kupferaluminat (CuA1204) Das kristallisierbare Glas ist von dem in Tabelle 1 gezeigten Typ.
  • Chargen von Partikeln aus Kupferpulver mit einer Partikelgröße von vorwiegend 5,1 Mikrometer bis 7,5 Mikrometer wurden mit Partikeln aus kristallisierbarem Glas mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 3,5 Mikrometer und verschiedenen Pastenzusätzen, einschließlich Ethylcelluloseharz zuzüglich eines Lösungsmittels, Benetzungsmittels und eines Mittels zur Steuerung des Fließens, gemischt. Einige der Chargen beinhalteten Kupferaluminat mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 2,5 Mikrometer, das beim Sintern zu Aluminiumoxid reduziert wurde. Jede Charge wurde in einem Ofen bei etwa 100 ºC getrocknet und dann in einer Stabmühle während 1 Stunde bis 2 Stunden zerkleinert. Danach wurde die Paste bei etwa 34,5 MPA (5000 psi) in Pellets gepreßt. Zum Vergleich wurden Pellets hergestellt, die kristal- lisierbares Glas und lediglich Kupferpartikel enthielten. Schließlich wurden die Pellets wie in den Beispielen I gesintert.
  • Das Schrumpfverhalten der Pellets wurde während des Sinterzyklus durch ein Dilatometer gemessen. Es war wichtig festzustellen, ob die Kompositpellets, die das kristallisierbare Glas und das Kupfer enthielten, sich in einer ähnlichen Weise verdichten würden wie jene, die allein das kristallisierbare Glas enthielten. Das kristallisierbare Glas kristallisiert bei einer Temperatur Tc, nach der kein weiteres Schrumpfen auftritt. Somit ist es von Nutzen, das Schrumpfen der Kompositpellets nach Tc zu messen. Es hat sich außerdem als nützlich herausgestellt, das Schrumpfen zwischen 750 ºC und 800 ºC (vor Tc) zu messen und es mit dem Schrumpfen der Pellets zu vergleichen, die allein das kristallisierbare Glas enthielten.
  • Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengefaßt. Die volumenprozentualen Anteile des Glases basieren auf dem Gesamtgehalt an Feststoffen der Pellets. TABELLE II % Schrumpfen Glas Enddichte % der Theoret. % Schrumpfen zwischen 750ºC-800ºC % Schrumpfen nach Tc Cu-Paste
  • Es wurde festgestellt, daß eine minimale Menge von etwa 6 Volumenprozent Glaskeramik notwendig ist, um eine enge Anpassung an das Verdichtungsverhalten der Volumenglaskeramik zu erreichen, das mit 100 Volumenprozent in Tabelle II aufgelistet ist. Das Schrumpfen von etwa 2 % zwischen 750 ºC und 800 ºC und nach Tc wird als akzeptabel betrachtet. Mit zunehmender Menge an Glaskeramik kommt das Schrumpfen des Kompositdurchkontakts jenem der Volumenglaskeramik näher. Die Proben mit 45 Volumenprozent und 60 Volumenprozent Glaskeramik zeigen ein Verdichtungsverhalten, das im wesentlichen identisch zu jenem der Volumenkeramik ist. Somit ist, als Illustration der Erfindung, ein Kompositdurchkontakt mit 60 Volumenprozent Glaskeramik ideal für die Versiegelungsschicht, und ein Kompositdurchkontakt mit 45 Volumenprozent Glaskeramik ist ideal für die Übergangsschicht, wenngleich, wie in den Beispielen 1 demonstriert, die Durchkontakte der Übergangsschicht mit 10 Volumenprozent Glas in der Praxis gut funktionierten. Zusätzliche Vorteile einer Übergangsschicht mit 10 Volumenprozent Glas sind zweifach. Der erste besteht darin, daß die Zusammensetzung einen viel niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der tatsächlich jenem von reinem Kupfer nahekommt. Der zweite besteht darin, daß mit dieser Zusammensetzung Linien im Siebdruck aufgebracht werden können. Zusammensetzungen mit einem höheren volumenprozentualen Anteil von Glas sind zur Verwendung für Siebdrucklinien schwierig. Für feine Linien können hohe Glasgehalte nicht zum Siebdrucken verwendet werden. Die Probe mit 30 Volumenprozent Glas zeigte eine gewisse Ausdehnung nach Tc.
  • Es hat sich außerdem als vorteilhaft herausgestellt, das Kupferaluminat (oder Aluminiumoxidpartikel) zu der Durchkontaktzusammensetzung hinzuzufügen, insbesondere bei geringen volumenprozentualen Anteilen an Glaskeramik. Für die Proben mit 6 Volumenprozent, 8 Volumenprozent und 10 Volumenprozent Glaskeramik wurde festgestellt, daß 0,4 Volumenprozent Kupferaluminat optimal sind. Bei größeren Mengen an Glaskeramik, wie 45 Volumenprozent und 60 Volumenprozent, ist das Kupferaluminat nicht notwendig. Die Ausdehnung bei der 30 Volumenprozent Glaskeramik hätte mit geringen Mengen an Kupferaluminat oder Aluminiumoxidpartikeln reduziert oder eliminiert werden können.
  • Für den Fachmann, der diese Offenbarung in Betracht zieht, ist offensichtlich, daß weitere Modifikationen dieser Erfindung über jene hierin spezifisch beschriebenen Ausführungsformen hinaus ohne Abweichen von dem Umfang der Erfindung durchgeführt werden können.

Claims (1)

1. Keramisches Mehrschichtsubstrat (30, 30') für elektronische Anwendungen, das beinhaltet:
(a) wenigstens eine innere Schicht (32) mit Durchkontaktlöchern (34), die mit einem metallischen Material gefüllt sind;
(b) wenigstens eine Versiegelungsschicht (40) mit Durchkontaktlöchern (34), die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem (52) und metallischem Material besteht; und
(c) wenigstens eine Übergangsschicht (46, 46', 46", 46"'), die sich zwischen der inneren und der Versiegelungsschicht befindet, mit Durchkontaktlöchern (48, 48', 48", 48"'), die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem (52) und metallischem Material besteht, das jedoch weniger keramisches und mehr metallisches Material als die Durchkontaktlöcher der Versiegelungsschicht und weniger metallisches Material als die Durchkontaktlöcher der inneren Schicht aufweist, wobei die Durchkontaktlöcher der inneren Schicht, von der es wenigstens eine gibt, die Durchkontaktlöcher der Übergangsschicht, von der es wenigstens eine gibt, beziehungsweise die Durchkontaktlöcher der Versiegelungsschicht, von der es wenigstens eine gibt, zueinander justiert sind.
2. Substrat nach Anspruch 1, wobei die Keramik eine Glaskeramik ist.
3. Keramisches Substrat nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Durchkontaktlöcher der inneren Schicht des weiteren ein keramisches Material in einer Menge beinhalten, die gerin- ger als jene ist, die in den Durchkontaktlöchern der Übergangsschicht vorhanden ist.
4. Keramisches Substrat nach-Anspruch 3, wobei das keramische Material in den Durchkontaktlöchern der inneren Schicht aus der Gruppe ausgewählt ist, die Aluminiumoxid und Glaskeramik umfaßt.
5. Keramisches Substrat nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das keramische Substrat des weiteren eine Oberseite und eine Unterseite beinhaltet und die Ober- und die Unterseite jeweils wenigstens eine innere, eine Übergangsund eine Versiegelungsschicht beinhalten, wobei die Schichten so angeordnet sind, daß die inneren Schichten zum Inneren des keramischen Substrates hin liegen und die Versiegelungsschichten zum äußeren Rand des keramischen Substrates hin liegen.
6. Keramisches Substrat nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, in dem eine Mehrzahl von inneren Schichten, eine Mehrzahl von Versiegelungsschichten und eine Mehrzahl von Übergangsschichten (46', 46", 46"') vorliegen&sub4;
7. Keramisches Substrat nach Anspruch 6, wobei die Durchkontaktlöcher (48', 48", 48"') in der Mehrzahl von Übergangsschichten die gleiche Zusammensetzung aufweisen.
8. Keramisches Substrat nach Anspruch 6, wobei die Durchkontaktlöcher (48', 48", 48"') in jeder der Übergangsschichten Zusammensetzungen aufweisen, die sich von jenen der Durchkontaktlöcher in jeder der anderen Übergangsschichten unterscheiden und so angeordnet sind, daß die Durchkontaktlöcher der Übergangsschicht mit der geringsten Menge an keramischem Material den Durchkontaktlöchern der inneren Schicht benachbart sind und die Durchkontaktlöcher der Übergangsschicht mit der größten Menge an keramischem Material den Durchkontaktlöchern der Versiegelungsschicht be- nachbart sind.
Keramisches Substrat nach Anspruch 2, das des weiteren beinhaltet:
wenigstens eine zusätzliche innere Schicht mit Durchkontaktlöchern, die mit einem metallischen Material gefüllt sind; und
wenigstens eine zusätzliche Übergangsschicht benachbart zu der zusätzlichen inneren Schicht, wobei die zusätzliche Übergangsschicht Durchkontaktlöcher besitzt, die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus Glas- und metallischem Material besteht.
10. Keramisches Substrat nach Anspruch 2 oder 9, wobei die Durchkontaktlochzusammensetzung der Durchkontaktlöcher der Versiegelungsschicht 40 Volumenprozent bis 90 Volumenprozent glaskeramisches Material und 60 Volumenprozent bis 10 Volumenprozent metallisches Material beinhaltet, wobei das metallische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Silber, Palladium und Gold besteht, und wobei die Durchkontaktlochzusammensetzung der Durchkontaktlöcher der Übergangsschicht wenigstens etwa 6 Volumenprozent glaskeramisches Material beinhaltet.
-11. Keramisches Substrat nach Anspruch 2, 9 oder 10, wobei das glaskeramische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cordierit und Spodumen besteht.
12. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Mehrschichtsubstrates (30, 30') für elektronische Anwendungen, wobei das keramische Mehrschichtsubstrat wenigstens eine innere Schicht (32) mit Durchkontaktlöchern (34), die mit einem metallischen Material gefüllt sind, und wenigstens eine Versiegelungsschicht (40) mit Durchkontaktlöchern (42) beinhaltet, die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem (52) und metallischem Material besteht, wobei das Verfahren folgenden Schritt beinhaltet:
Zwischenfügen von wenigstens einer Übergangsschicht (46, 46', 46", 46"') zwischen die innere Schicht und die Versiegelungsschicht, wobei die Übergangsschicht Durchkontaktlöcher (48, 48', 48", 48"') aufweist, die mit einem Kompositmaterial gefüllt sind, das aus einem Gemisch aus keramischem (52) und metallischem Material besteht, das jedoch weniger keramisches und mehr metallisches Material als die Durchkontaktlöcher der Versiegelungsschicht und weniger metallisches Material als die Durchkontaktlöcher der inneren Schicht aufweist, wobei die Durchkontaktlöcher der inneren Schicht, von der es wenigstens eine gibt, die Durchkontaktlöcher der Übergangsschicht, von der es wenigstens eine gibt, beziehungsweise die Durchkontaktlöcher der Versiegelungsschicht, von der es wenigstens eine gibt, zueinander justiert sind.
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