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EP1099246A1 - Verfahren zur herstellung eines keramischen körpers mit einem integrierten passiven elektronischen bauelement, derartiger körper und verwendung des körpers - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines keramischen körpers mit einem integrierten passiven elektronischen bauelement, derartiger körper und verwendung des körpers

Info

Publication number
EP1099246A1
EP1099246A1 EP99945901A EP99945901A EP1099246A1 EP 1099246 A1 EP1099246 A1 EP 1099246A1 EP 99945901 A EP99945901 A EP 99945901A EP 99945901 A EP99945901 A EP 99945901A EP 1099246 A1 EP1099246 A1 EP 1099246A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ceramic
temperature interval
layer
temperature
ceramic material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99945901A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Silvia Gohlke
Wolfram Wersing
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1099246A1 publication Critical patent/EP1099246A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4846—Leads on or in insulating or insulated substrates, e.g. metallisation
    • H01L21/4867—Applying pastes or inks, e.g. screen printing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49866—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers characterised by the materials
    • H01L23/49894—Materials of the insulating layers or coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/095—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00 with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials provided in the groups H01L2924/013 - H01L2924/0715
    • H01L2924/097—Glass-ceramics, e.g. devitrified glass
    • H01L2924/09701—Low temperature co-fired ceramic [LTCC]

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a ceramic body with a monolithic multilayer structure. At least one passive electronic component is integrated in the volume of the body. In addition, such a body is presented and the use of the body is indicated.
  • the electronics industry strives for the greatest possible miniaturization. This applies in particular to mobile radio technology.
  • the aim is to combine as many electronic components as possible in the smallest possible space.
  • Such components can be, for example, very complex high-frequency modules or even complete radio parts.
  • substrates in the form of ceramic bodies with a monolithic multilayer structure have proven particularly useful.
  • a passive component such as an inductor, a capacitor or a resistor in the volume of a ceramic body.
  • a number of products are manufactured in this way today. These include, for example, ceramic multichip modules (MCM-C), simple high-frequency components such as LC filters and RLC networks.
  • a special process for producing a ceramic body with a monolithic multilayer structure is based on LTCC (low temperature cofired ceramic) technology (see, for example, DL Wilcox et al., Proc. 1997 ISHM Philadelphia, pp. 17-23)
  • LTCC low temperature cofired ceramic
  • Low-sintering glass ceramic serves as the ceramic material.
  • the surface of a ceramic body obtained in the manner described is designed in such a way that active components such as SMD components or ICs (semiconductor components) can be attached as space-saving as possible.
  • Flip-chip technology is becoming increasingly important for attaching active components.
  • Prerequisite for the application of this technique is the highest precision and reproducibility of the conductor and pad structures on the surface of the body. In view of the high process reliability of this technology and the high quality of a component manufactured with it, a component tolerance of ⁇ 0.1% is necessary.
  • a much more elegant method consists of stacking the green foils in such a way that the top and bottom foils have a ceramic material whose sintering temperature is above that of the ceramic material of the foils lying between them in the stack.
  • the sintering is carried out in such a way that the ceramic material of the inner foils sintering at a lower temperature densifies, but not the material of the outer foils sintering at a higher temperature.
  • the non-compacting material prevents the lateral shrinkage of the film stack by the adhesion of the laminated films to each other.
  • the body's non-compacted ceramic material is removed after sintering. Subsequently, in additional work steps, metallizations have to be applied to the surface of the body for further processing (e.g. flip-chip technology).
  • the object of the invention is to provide a method for producing a ceramic body with a monolithic Mehr Wegauf ⁇ construction, which has a very small lateral tolerance.
  • This object is achieved by a method for producing a ceramic body which has a monolithic multilayer structure and contains at least one passive electronic component and which has the following method steps:
  • a ceramic body with a monolithic multilayer structure is distinguished by the fact that the ceramic layers of the body are firmly connected to one another and form a unit. Individual layers can also consist of a non-ceramic material (eg metal).
  • a sta- pel process subject of ceramic green sheets and metal foils a sintered ⁇ .
  • a passive electronic component is to be understood as an electrical conductor track. It can be an inductor, a capacitor or a resistor (e.g. also a varistor).
  • the components can occur individually or in combination with one another and in particular can be components of an electrical circuit.
  • a component consists, for example, of a metal, a semimetal and / or a solid electrolyte.
  • the basic idea of the invention is to use a multi-stage sintering process for producing a ceramic body.
  • the procedure described in the introduction to avoid lateral shrinkage is modified.
  • no ceramic layer is removed after sintering. Rather, a component is integrated in each layer.
  • each ceramic layer is used to build up a body with a more or less large number of electronic components.
  • the ceramic materials e.g. with different dielectric constants
  • additional process steps for removing ceramic material and possibly attaching conductor or pad structures to the surface of the body are eliminated.
  • a ceramic green sheet is produced in a known manner.
  • the thickness of a green sheet comprises, for example, 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • Low-sintering glass ceramic is preferred as the ceramic material.
  • the ceramic material which is also called glass-ceramic composite, contains, for example, aluminum oxide, boron oxide or alkaline earth oxide.
  • the green film is cut to the desired shape by cutting or punching. This can for example, the lateral shape of the ceramic body.
  • the structuring of the green film is also part of the production of a ceramic green film.
  • a green sheet for example, at least one opening for an electrical via (viahole) passing through the green sheet is produced. This is particularly easy to do by punching.
  • Another method of structuring a green sheet such as photolithography or creating an opening with the aid of laser radiation, can also be used.
  • a perforated structure in the use (multi-up) of a green sheet, with the aid of which a number of partial areas of the green sheet can be separated from one another.
  • use is understood to mean a two-dimensional body which has several identically structured partial areas.
  • the area of a panel is, for example, 300 x 300 cm.
  • At least one metallization is applied to a surface of a green sheet.
  • electrically conductive material for example in the form of a conductor structure, is preferably applied to a surface of the green film using the screen printing method. A very fine conductor structure can be produced in this way.
  • the width of a conductor track is, for example, 80 ⁇ m and the distance from conductor track to conductor track is likewise 80 ⁇ m.
  • the openings for the plated-through holes are also filled with an electrically conductive material.
  • the stencil printing process is particularly suitable. Screen printing and stencil printing are preferably carried out in the same device.
  • a metal paste is processed for a conductor structure and an electrical via.
  • a resistor can be integrated particularly easily by processing a sinterable resistor paste.
  • a low-sintering glass ceramic particularly highly conductive silver or copper can be processed.
  • a thick-film technology e.g. screen printing technology
  • the ceramic green foils are stacked on top of one another. Green foils containing various ceramic materials are used.
  • the selection of the ceramic material of a green sheet is based on the function that is to be integrated into the substrate using this green sheet.
  • the sintering properties of the ceramic materials of the various green foils are of crucial importance. At least two materials must be used that differ from one another at least in the temperature interval required for compression.
  • the first temperature interval and the temperature interval different from the first are preferably separated. There is no temperature range in which the first ceramic material and the ceramic material different from the first compact simultaneously. This allows a multi-stage sintering process to be designed so that the shrinkage of a first one Is ceramic material already completed before the oscillations ⁇ dung of a second ceramic material used.
  • the selection of a ceramic material is tailored to the metal or metals used. If, for example, highly conductive copper is worked into the body, the compaction of the ceramic material must be completed at 950 ° C. The limit for silver is 900 ° C. When using copper, it must also be ensured that the ceramic material can be compacted under reducing conditions.
  • the body made of different materials is free from mechanical stress after sintering and does not bend, for example after cooling. It is also important that no undesirable temperature-related stress occurs during operation of the body. It is therefore advantageous if a plurality of ceramic materials have an essentially identical coefficient of thermal expansion in a certain temperature range. This means that, at least in the temperature ranges mentioned, a mechanical stress due to a different thermal expansion of the different materials is suppressed to such an extent that the functionality of the ceramic body is retained.
  • the thermal expansion coefficient of a glass ceramic can be regulated by the type and amount of a glass component.
  • the thermal expansion behavior of the different ceramic materials can be be coordinated.
  • the thermal expansion coefficient of a ceramic material at the operating temperature of the body is around 6-7 ppm / K.
  • a semiconductor material such as silicon or gallium arsenide.
  • An active electronic component eg integrated circuit
  • An electrical component with the specified specification can be used in a wide temperature range. This is important, for example, with regard to an application of the electrical component in the automotive sector.
  • a conventional polymeric substrate shows a significantly different thermal expansion behavior than a silicon IC.
  • a comparable polymeric substrate is therefore subject to tighter limits than a ceramic substrate.
  • the green foils are preferably stacked in such a way that an approximately symmetrical foil stack with a plane of symmetry parallel to the foils results with respect to the different ceramic materials. This measure promotes uniform shrinkage during the sintering process and reduces the component tolerance.
  • At least one layer which consists of an electrode material, is preferably arranged in the stack of green foils.
  • This layer can be a structured metal foil, for example.
  • the use of a metal foil is possible because there is no lateral shrinkage in such a foil occurs.
  • a metal foil has the advantage that it has a lower electrical resistance compared to a metal paste (factor 2-3).
  • a metal foil is structured, for example, by stamping and / or etching.
  • the composite is debindered together. This is done, for example, by slowly increasing the temperature to 500 ° C.
  • the lamination is carried out, for example, under a uniaxial or isostatic pressure.
  • the composite is sintered in at least two stages.
  • a second ceramic material that does not compact at this temperature prevents the lateral shrinkage due to the adhesion of the laminated foils to one another. There is only a compression perpendicular to the film planes.
  • the temperature is raised to the sintering temperature of the second ceramic material.
  • the first ceramic material which no longer compresses, in turn prevents the lateral shrinkage of the second ceramic material. This makes it possible to decouple the different compression processes of the different materials by compressing them in the thickness direction of a film.
  • the quantity ratio between sintering and non-sintering material plays a role in the suppression of the lateral garbage. Conveniently, this ratio is less than or equal to four.
  • At least one further green film can be processed, which has a further ceramic material in which the compression takes place in a temperature interval, that differs from the first and second temperature interval. It may well be that this tempera ⁇ turintervall overlap with the first and / or the second temperature interval. It is crucial that the stacking is carried out in such a way that the lateral shrinkage of the composite is suppressed in each phase of the sintering by non-sintering ceramic layers.
  • the method is particularly suitable for firmly connecting the ceramic body to a carrier, for example a metal body.
  • a carrier for example a metal body.
  • the green foils are preferably sintered directly onto a carrier in the multi-stage sintering process.
  • the carrier can be a metal body which, for example, functions as a heat sink when the ceramic body is in operation.
  • the stacking, laminating, debinding and / or sintering is preferably carried out in a die with the external dimensions of the body or the panel from which several bodies are made.
  • the die is made of a material that has very good thermal conductivity and at the same time has low adhesion to the ceramic body.
  • the material of the die preferably comprises silicon carbide.
  • the bodies are separated after sintering. This can be done by sawing. The separation is particularly easy when a body is broken out of a panel along a hole structure described above. Breaking out is also possible if a metal foil is processed in the panel.
  • the metal foil is also provided with a perforated structure before stacking on top of one another. This hole structure is laterally offset from the hole structure of a ceramic green sheet, so that when stacked one on top of the other, a metal web, which is located between two holes in a metal sheet, and a hole in a green sheet. come to rest. This metal web can be removed, for example, by etching after sintering.
  • a mixture of hydrogen peroxide and ammonia can be used to etch away a metal bar. In this way, only ceramic webs remain in the body, which can easily be broken to separate a body. This procedure is not only suitable for simplifying the separation of a finished ceramic body. Because an existing metal web of a metal foil is removed after sintering, a functional integrated passive component may be created.
  • the invention covers a new type of ceramic body, which has a monolithic multilayer structure, comprising at least one passive electronic component, at least one layer made of a ceramic material that compresses in a first temperature interval and at least one layer made of ceramic material that m in one of the first temperature interval different temperature interval compressed.
  • the ceramic body for example, there is a passive electronic component in the form of an inductor and a capacitor with a low value. Above all, a compact one
  • Decoupling capacitor with a capacitance value between 30 pF and 3 nF can be realized.
  • Compact line structures such as strip-lmes or tri-plates with high quality for a resonator, coupler and bandpass filter also pay extra.
  • An additional example is an inductor and a transformer with a high inductance value.
  • a varistor can also be contained in the ceramic body.
  • the ceramic body has in particular at least one electrical via. Such a via can extend over several adjacent layers and can be part of a complex integrated circuit.
  • an electrical connection point on the body surface for example in the form of a solder pad, is connected to a component in the interior of the body via plated-through holes.
  • the body has at least one layer made of an electrode material.
  • This layer is structured according to the functions associated with it and is in particular a component of a passive component.
  • a plate electrode for a capacitor can be realized in this way.
  • the body can be arranged on a metal body that functions, for example, as a heat sink.
  • the body can be glued or soldered onto the heat sink. It is particularly advantageous if the body is connected monolithically (for example by a sintering process) to the heat sink.
  • the material of a passive electronic component, a layer of electrode material and / or a metal body comprises at least one material which is selected from the group gold, copper, molybdenum, palladium, platinum, silver and / or tungsten. It is particularly advantageous if the material consists of highly conductive gold, silver or copper. Alloys of the metals such as silver / palladium are also conceivable. In addition, a semiconductor and resistance material can be integrated.
  • Low-sintering glass ceramic is particularly suitable as the ceramic material.
  • the glass ceramic of a layer can be in Form a two-phase glass matrix (glass phase and ceramic) or a crystalline glass ceramic matrix.
  • the ceramic material of a layer depends on the function that is integrated with this layer in the ceramic body.
  • this layer preferably consists of a material with the lowest possible dielectric constant (6 ⁇ r ⁇ 8). This reduces the signal transit time through the supply line or avoids signal delay.
  • a capacitor with a low capacitance (down to 10 pF) and an inductance (down to 10 nH) can be integrated.
  • Such a component is suitable due to its compact structure up to frequencies of a few GHz.
  • An average dielectric constant (25 ⁇ r ⁇ 60) is advantageous for layers with the aid of which a microwave resonator or filter structure is realized (for example ⁇ / 4 resonator).
  • a dielectric with a relatively high dielectric constant is advantageous for a decoupling capacitor ( ⁇ L > 500).
  • Layer stacks with a first layer sequence and a second layer stack with an opposite layer sequence to the first layer sequence are arranged one above the other. This results in an approximately symmetrical body with respect to the ceramic layers with a plane of symmetry parallel to the layers.
  • An additional layer can be arranged between the two layer stacks.
  • the body is particularly suitable as a substrate for one small, complex electronic component (e.g. a high-frequency module).
  • the invention has the following significant advantages with regard to the ceramic body, which has a monolithic multilayer structure, and the method for producing the body:
  • a multi-stage sintering process succeeds in suppressing the lateral shrinkage of the composite of the green ceramic foils. This results in a very low component tolerance of up to 0.1%.
  • thermomechanically optimal layer structure made of low and high sintering ceramic can be achieved taking into account the electrical and circuitry requirements.
  • a high level of robustness and product reliability can be achieved by reducing the necessary solder contacts between the passive components of a circuit and hermetically protecting the internal circuit.
  • the method is particularly suitable for producing a ceramic body in use (multi-up). Both relatively simple and very complex bodies can be produced inexpensively. • In addition, there is a high level of environmental compatibility due to the simple recyclability of a ceramic circuit carrier.
  • a ceramic body with a monolithic multilayer structure which has at least one passive electronic component, and a method for its production are presented.
  • the figures are schematic and do not represent true-to-scale illustrations of the objects identified.
  • FIG. 1 shows a ceramic body in cross section.
  • FIG. 2 shows the dependence of the shrinkage of the ceramic materials that make up the ceramic body on the temperature.
  • Figure 3 shows the temperature program with which the ceramic body is sintered after debinding.
  • FIG. 4 shows the effect of the temperature increase on the ceramic body.
  • Figure 5 shows, starting from the production of a green sheet, the essential process steps for the production of the ceramic body.
  • Figure 6 shows a ceramic green sheet with a perforated structure.
  • FIG. 7 shows a section of a sintered benefit in which a ceramic layer and a layer of electrode material are arranged one above the other before an etching process.
  • FIG. 8 shows a section of a sintered benefit in which a ceramic layer and a layer of electrode material are arranged one above the other after an etching process.
  • the subject matter is a four-layer ceramic microwave module 1 which has a monolithic multilayer structure.
  • Each ceramic layer is approximately 100 ⁇ m thick.
  • the two inner layers 11 and 12 consist of a glass ceramic 101 with a dielectric constant of approximately 80.
  • ⁇ s has a material of the composition Ba 6 - ⁇ Me8 +2 Tii8 ⁇ 5 (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • Me stands for the rare earths Sm, Nd and La.
  • the densification of the ceramic material of these layers takes place between approximately 870 ° C and 970 ° C.
  • the two outer ceramic layers 13 and 14 have a glass ceramic 102 with a dielectric constant of approximately 6. This material ba- based on a barium aluminum silicate glass and densifies between 720 and 850 ° C.
  • FIG. 2 shows the shrinkage of the ceramic materials 101 and 102 in the form of a relative change in length in a direction ⁇ L / L as a function of the temperature.
  • the body 1 is constructed from two layer stacks 111 and 112.
  • the layer stack 111 has a layer sequence in the direction 113.
  • the layer stack 112 has the same layer sequence in the opposite direction 114.
  • There is a body 1 which is approximately symmetrical with respect to the two ceramic materials 101 and 102 and has a plane of symmetry which is virtually between the layers 11 and 12 and is parallel to these layers.
  • Passive electronic components 15-20 are located on the top and bottom and in the volume of the body.
  • the material of the components comprises copper.
  • solder pads 17 are attached next to a conductor track, with the aid of which an SMD component and an IC can be connected to the body.
  • solder pads 18 are also on the underside for soldering the body onto a printed circuit board.
  • Plate electrodes for capacitors and inner conductor structures for tri-plate resonators are located between the inner layers. These components are formed using a structured layer of electrode material 20. The counter electrodes to the capacitors and resonators are located between the inner and outer layers. In addition, the body 1 has an electrical contact 19.
  • a four-layer ceramic microwave module 1 described above is produced in the panel.
  • the essential method steps are visible on the basis of FIG.
  • a ceramic green sheet containing an organic binder is produced (process 501).
  • the ceramic starting material made of glass ceramic with the desired composition is produced, for example, in the mixed oxide or sol-gel process.
  • a slip is made from the starting material, from which the green sheet is pulled or poured.
  • the green foils After drying, the green foils have a layer thickness of 150 ⁇ m.
  • n x n benefit 61 this means that n x n identical hole combinations are generated in the green sheet.
  • a hole combination contains, for example, openings 63 with which through contacts 19 are produced. The hole combinations are separated from one another by the hole structure 62 (FIG. 6).
  • electrically conductive material is printed on the green film 61 using the screen printing method.
  • a copper-containing paste is used for this.
  • Conductor tracks of 80 ⁇ m and plate electrodes are applied.
  • openings 63 for an electrical via 19 are filled with electrically conductive material using the stencil printing method. Stencil and screen printing are carried out with the same device.
  • a structured metal foil 20 made of copper is arranged between the layers 12 and 13. Under a uniaxial pressure, the stacked green sheets are laminated to a composite 51.
  • the binder 51 is freed of the binder 51 by slowly increasing the temperature, for example 2K / min (FIGS. 5, 505). After the debinding, the sintering takes place in two stages (FIGS. 3 and 4). First the temperature is increased to 820 ° C (506). At this temperature, the ceramic material 102 of the outer layers 13 and 14 of the composite compresses. The temperature is maintained until the compaction of this ceramic material is complete.
  • the temperature is raised to 950 ° C. and held until the ceramic material 101 of the inner layers 11 and 12 is compressed.
  • the die is made of silicon carbide.
  • the microwave modules can be separated by breaking apart the panel along the hole structure 62 and can thus be used for further processing.
  • a correspondingly structured metal foil 72 is used in the production of the ceramic body.
  • the structuring or the creation of openings is done by punching.
  • a hole structure 73 is produced in the metal foil 72, which simplifies the separation of a finished ceramic body.
  • the hole structure 73 is laterally offset from the hole structure 75 of a ceramic green sheet 74, so that when the sheets are stacked above one another, a metal web 76, which is located between two holes 77 and 78 of a metal sheet 72, and a hole 79 of a green sheet 74 come to lie one above the other.
  • FIG. 7 shows a section of a sintered panel 71, which emerges from the metal foil 72 and green foil 74 stacked one above the other.
  • the figure shows the benefit 71 before an etching process.
  • the perforated structure 73 is shown in dotted lines.
  • FIG. 8 shows the benefit 81 which is obtained from the benefit 71 by an etching process.
  • the further processing of a microwave module which includes, for example, the production of conductor structures and solder pads and, in the further course, the attachment of SMD components and ICs using flip-chip technology on the surface of the module, can also be carried out in the utility before being separated.

Landscapes

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract

Ein keramischer Körper mit einem monolithischen Mehrschichtaufbau wird in einem mehrstufigen Sinterprozeß erzeugt. Zur Verhinderung der lateralen Schwindung wird der Körper aus Grünfolien aufgebaut, deren Material in unterschiedlichen Temperaturintervallen verdichtet. Das Resultat ist ein Körper mit einer sehr geringen Bauteiletoleranz. Im Volumen des Körpers kann eine Vielzahl unterschiedlicher passiver elektronischer Bauelemente integriert sein. Ein derartiger Körper wird beispielsweise als Substrat eines Mikrowellenmoduls verwendet.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers mit einem integrierten passiven elektronischen Bauelement, derartiger Körper und Verwendung des Körpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers mit einem monolithischen Mehrschichtaufbau. Dabei wird im Volumen des Körpers mindestens ein passi- ves elektronisches Bauelement integriert. Darüber hinaus wird ein derartiger Körper vorgestellt und eine Verwendung des Körpers angegeben.
In der Elektronik wird nach höchstmöglicher Miniaturisierung gestrebt. Dies trifft insbesondere auf die Mobilfunktechnik zu. Ziel dabei ist es, möglichst viele elektronische Bauteile auf möglichst kleinem Raum zu vereinen. Solche Bauteile können beispielsweise sehr komplexe Hochfrequenzmodule bis hin zu kompletten Funkteilen sein.
Im Hinblick auf die Miniaturisierung haben sich Substrate in Form keramischer Körper mit monolithischem Mehrschichtaufbau besonders bewährt. Mit Hilfe spezieller Herstellungsverfahren ist es möglich, ein passives Bauelement wie beispielsweise eine Induktivität, einen Kondensator oder einen Widerstand im Volumen eines keramischen Körpers zu integrieren. Auf diese Weise wird heute eine Reihe von Erzeugnissen gefertigt. Dazu zählen beispielsweise keramische Multichip-Module (MCM-C) , einfache Hochfrequenzkomponenten wie LC-Filter und RLC-Netz- werke.
Ein spezielles Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers mit monolithischem Mehrschichtaufbau stützt sich auf die LTCC(low temperature cofired ceramic)- Technologie (siehe z.B. D.L. Wilcox et al . , Proc. 1997 ISHM Philadelphia, S. 17- 23) Die wesentlichen Verfahrensschritte dieser Technologie sind:
• Herstellen einer einen organischen Binder enthaltenden ke¬ ramischen Grünfolie. • Erzeugen einer Öffnung in der Grünfolie, die für eine elek¬ trischen Durchkontaktierung durch die Grünfolie gedacht ist.
• Befüllen der Öffnung mit elektrisch leitendem Material.
• Bedrucken der Grünfolie mit einer elektrischen Leiterstruk- tur.
• Übereinanderstapeln und Laminieren dieser Grünfolie und zumindest einer weiteren zu einem Verbund.
• Entbindern und Sintern des Verbunds zu einem Körper mit monolithischem Mehrschichtaufbau.
Als keramisches Material dient dabei niedrig sinternde Glaskeramik. Die Oberfläche eines auf die beschriebene Weise erhaltenen keramischen Körpers ist so gestaltet, daß aktive Bauelemente wie beispielsweise SMD-Bauelemente oder ICs (Halbleiterbauelemente) möglichst Platz sparend angebracht werden können. Für das Anbringen der aktiven Bauelemente gewinnt die Flip-Chip - Technik mehr und mehr an Bedeutung. Voraussetzung für die Anwendung dieser Technik ist höchste Präzision und Reproduzierbarkeit der Leiter- und Padstruktu- ren auf der Oberfläche des Körpers. Im Hinblick auf eine hohe Prozeßsicherheit dieser Technik und eine hohe Qualität eines damit hergestellten Bauteils ist eine Bauteiletoleranz von ± 0,1% notwendig.
Im der herkömmlichen LTCC-Technologie tritt durch das Verdichten des keramischen Materials beim Sintervorgang ein lateraler Schwund von 15-18% mit einer Toleranz von ± 0,5% auf. Würde man diese Technologie oder ein ähnliches Verfahren in bekannter Weise zur Herstellung eines keramischen Körpers einsetzen, wäre der Körper für die Weiterverarbeitung in der Flip-Chip - Technik nur bedingt geeignet. Um die für diese Technik geforderte Bauteiletoleranz von ± 0,1% einzuhalten, muß der laterale Schwund des keramischen Materials beim Sintervorgang unterdrückt werden. D.h. es muß ein gerichtetes Verdichten der Keramik senkrecht zu den Folienebenen erzwungen werden (= zero xy shrinkage) .
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, beim Sintern den lateralen Schwund eines laminierten und entbinderten Stapels aus keramischen Grünfolien zu unterbinden. Beim Sintern wird beispielsweise ein hoher einachsiger Druck auf den Folienstapel ausgeübt. Dies erfordert allerdings einen relativ hohen technischen Aufwand.
Eine im Vergleich dazu wesentlich elegantere Methode besteht darin, die Grünfolien so zu stapeln, daß die oberste und die unterste Folie ein Keramikmaterial aufweisen, dessen Sintertemperatur über der des Keramikmaterials der im Stapel dazwischen liegenden Folien liegt. Die Sinterung erfolgt so, daß das bei tieferer Temperatur sinternde Keramikmaterial der inneren Folien verdichtet, nicht jedoch das bei höherer Tempe- ratur sinternde Material der äußeren Folien. Das nicht verdichtende Material verhindert durch die Haftung der laminierten Folien aneinander den lateralen Schwund des Folienstapels. Das nicht verdichtete Keramikmaterial des Körpers wird nach dem Sintern entfernt. Darauf folgend müssen in zusätzli- chen Arbeitsschritten wieder Metallisierungen an der Oberfläche des Körpers für die Weiterverarbeitung (z.B. Flip-Chip - Technik) angebracht werden.
Um eine möglichst hohe Miniaturisierung zu erreichen, ist es wünschenswert, wenn alle wesentlichen Funktionen der Bauteile in dem als Substrat fungierenden Körper integriert sind. Dies kann z.B. gleiche Bauelemente betreffen, die aber jeweils eine entgegengesetzte Spezifikationen erfüllen. Beispielsweise sollen in einem einzigen Substrat gleichzeitig eine sehr hohe und eine sehr niedrige Induktivität enthalten sein. Ein herkömmlicher keramischer Körper erfüllt solche Wünsche nur in einem extrem begrenzten Rahmen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers mit monolithischem Mehrschichtauf¬ bau anzugeben, der über eine sehr geringe laterale Toleranz verfügt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers, der einen monolithischen Mehrschichtaufbau aufweist und mindestens ein passives elektronisches Bau- element enthält, gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
• Herstellen einer einen Binder enthaltenden Grünfolie,
• Übereinanderstapeln mindestens einer Grünfolie, die ein Keramikmaterial aufweist, das in einem ersten Temperaturintervall verdichtet, und mindestens einer Grünfolie, die ein Keramikmaterial aufweist, das in einem vom ersten Temperaturintervall verschiedenen Temperaturintervall verdichtet, zu einem Stapel, • Laminieren des Stapels zu einem Verbund,
• Entbindern des Verbunds bei einer erhöhten Temperatur,
• Sintern des Verbunds bei einer Temperatur des ersten Temperaturintervalls, bis das Keramikmaterial, das in diesem Temperaturintervall verdichtet, weitgehend verdichtet ist, und
• Sintern des Verbunds bei einer Temperatur des vom ersten Temperaturintervall verschiedenen Temperaturintervalls, bis das Keramikmaterial, das in dem vom ersten Temperaturintervall verschiedenen Temperaturintervall verdichtet, weitgehend verdichtet ist.
Ein keramischer Körper mit einem monolithischen Mehrschichtaufbau zeichnet sich dadurch aus, daß die keramischen Schichten des Körpers fest miteinander verbunden sind und eine Ein- heit bilden. Einzelne Schichten können dabei auch aus einem nichtkeramischen Material bestehen (z.B. Metall). Um einen monolithischen Körper zu erhalten, wird in der Regel ein Sta- pel aus keramischen Grünfolien und Metallfolien einem Sinter¬ prozeß unterworfen.
Unter einem passiven elektronischen Bauelement ist im ein- fachsten Fall eine elektrische Leiterbahn zu verstehen. Es kann eine Induktivität, eine Kapazität oder ein Widerstand (z.B. auch Varistor) sein. Die Bauelemente können einzeln oder in Kombination miteinander auftreten und insbesondere Bestandteile einer elektrischen Schaltung sein. Ein Bauele- ment besteht beispielsweise aus einem Metall, einem Halbmetall und/oder einem Festelektrolyten.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, einen mehrstufigen Sinterprozeß zur Herstellung eines keramischen Körpers anzu- wenden. Dabei wird das in der Einleitung beschriebene Verfahren zur Vermeidung eines lateralen Schwunds modifiziert. Im Gegensatz zur herkömmlichen Vorgehensweise wird nach dem Sintern keine Keramikschicht entfernt. Vielmehr wird in jeder Schicht ein Bauelement integriert. D.h., jede Keramikschicht wird zum Aufbau eines Körpers mit einer mehr oder weniger großen Anzahl an elektronischen Bauelementen genutzt. Durch die Auswahl der Keramikmaterialien (z.B. mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten) gelingt es auf diese Weise, unterschiedlichste passive Bauelemente in einem monolithi- sehen keramischen Körper zu vereinen. Außerdem fallen zusätzliche Verfahrensschritte für das Abtragen von Keramikmaterial und unter Umständen das Anbringen von Leiter- bzw. Padstruk- turen auf der Oberfläche des Körpers weg.
Die Herstellung einer keramischen Grünfolie erfolgt in bekannter Weise. Die Dicke einer Grünfolie umfaßt beispielsweise 50 μm bis 200 μm. Als keramisches Material kommt vorzugsweise niedrig sinternde Glaskeramik in Frage. Das keramische Material, das auch als glaskeramisches Komposit bezeich- net wird, enthält beispielsweise Aluminiumoxid, Boroxid oder Erdalkalioxide. Durch Schneiden oder Stanzen wird die Grünfolie auf die gewünschte Form zugeschnitten. Diese kann bei- spielsweise direkt die laterale Form des keramischen Körpers sein.
Zur Herstellung einer keramischen Grünfolie zählt auch die Strukturierung der Grünfolie. In einer Grünfolie wird beispielsweise mindestens eine durch die Grünfolie hindurchgehende Öffnung für eine elektrische Durchkontaktierung (viahole) erzeugt. Dies gelingt besonders einfach durch Stanzen. Ein anderes Verfahren zur Strukturierung einer Grünfolien wie beispielsweise eine Photolithograpie oder das Erzeugen einer Öffnung mit Hilfe einer Laserstrahlung kann ebenso angewendet werden.
Neben den Öffnungen, die für die Integration eines Bauele- ments notwendig sind, ist es vorteilhaft, zusätzliche Löcher in einer Grünfolie zu erzeugen, mit deren Hilfe die Herstellung des keramischen Körpers erheblich vereinfacht wird. Besonders vorteilhaft ist es, im Nutzen (multi up) einer Grünfolie eine Lochstruktur zu erzeugen, mit deren Hilfe mehrere Teilbereiche der Grünfolie voneinander getrennt werden können. Unter Nutzen wird in diesem Zusammenhang ein flächiger Körper verstanden, der mehrere identisch strukturierte Teilbereiche aufweist. Die Fläche eines Nutzens beträgt beispielsweise 300 x 300 mitr . Auf ihr können z.B. n2 identische Teilbereiche vorliegen (n x n - Nutzen) . Mit Hilfe der Lochstruktur, die alle übereinander gestapelten Grünfolien aufweisen, kann ein Körper aus dem Nutzen der gesinterten Grünfolien durch Herausbrechen leicht vereinzelt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird mindestens eine Metallisierung an einer Oberfläche einer Grünfolie angebracht. Dazu wird vorzugsweise im Siebdruckverfahren elektrisch leitendes Material beispielsweise in Form einer Leiterstruktur auf einer Oberfläche der Grünfolie aufgetragen. Auf diese Weise läßt sich eine sehr feine Leiterstruktur herstellen.
Die Breite einer Leiterbahn beträgt beispielsweise 80 μm und der Abstand von Leiterbahn zu Leiterbahn ebenfalls 80 μm. In dieser Herstellungsphase einer Grünfolie werden auch die Öffnungen für die Durchkontaktierungen mit einem elektrisch leitenden Material befüllt. Dabei bietet sich besonders das Schablonendruckverfahren an. Siebdruck und Schablonendruck werden vorzugsweise in der gleichen Vorrichtung durchgeführt.
Für eine Leiterstruktur und eine elektrische Durchkontaktie- rung wird beispielsweise eine Metallpaste verarbeitet. Ein Widerstand läßt sich besonders einfach durch die Verarbeitung einer mitsinterbaren Widerstandspaste integrieren.
Durch die Verwendung einer niedrig sinternden Glaskeramik kann insbesondere hoch leitfähiges Silber oder Kupfer verar- beitet werden. In einer Dickschichttechnik (z.B. Siebdrucktechnik) kann dadurch eine hinreichend dicke, hoch leitende Leiterbahnen realisiert werden, die auch bei einer Frequenz von 1 GHz (Skintiefe = 3 μm) nur einen sehr niedrigen Leitungsverlust aufweist.
Im nächsten Verfahrensschritt werden die keramischen Grünfolien übereinander gestapelt. Dabei werden Grünfolien verwendet, die verschiedenes Keramikmaterial enthalten.
Die Auswahl des Keramikmaterials einer Grünfolie erfolgt nach der Funktion, die mit Hilfe dieser Grünfolie in das Substrat integriert werden soll. Daneben sind die Sintereigenschaften der Keramikmaterialien der verschiedenen Grünfolien von entscheidender Bedeutung. Es müssen mindestens zwei Materialien verwendet werden, die sich mindestens durch das jeweils zur Verdichtung notwendige Temperaturintervall voneinander unterscheiden. Das erste Temperaturintervall und das vom ersten verschiedene Temperaturintervall sind vorzugsweise getrennt. Es tritt kein Temperaturbereich auf, in dem gleichzeitig das erste Keramikmaterial und das vom ersten verschiedene Keramikmaterial verdichtet. Damit kann ein mehrstufiger Sinterprozeß so gestaltet werden, daß die Schwindung eines ersten Keramikmaterials bereits abgeschlossen ist, bevor die Schwin¬ dung eines zweiten Keramikmaterials einsetzt.
Neben den Grünfolien, die die beiden Keramikmaterialien ent- halten, können sehr leicht weitere Grünfolien eingebaut werden, die ein Keramikmaterial enthalten, das sich vom ersten und zweiten Keramikmaterial unterscheidet. An die Sintercharakteristik dieses Materials wird nur die Anforderung gestellt, daß die Verdichtung des Materials nach dem zumindest zweistufigen Sinterprozeß abgeschlossen ist.
Generell ist zu beachten, daß die Auswahl eines Keramikmaterials im Hinblick auf das verwendete Metall bzw. die verwendeten Metalle zugeschnitten ist. Wenn beispielsweise hochleitfähiges Kupfer in den Körper eingearbeitet wird, muß die Verdichtung des keramischen Materials bei 950 °C abgeschlossen sein. Für Silber liegt die Grenze bei 900°C. Bei der Verwendung von Kupfer muß darüber hinaus gewährleistet sein, daß die Verdichtung des keramischen Materials unter re- duzierenden Bedingungen erfolgen kann.
Besonders wichtig ist, daß der aus verschiedenen Materialien hergestellte Körper nach der Sinterung frei von mechanischer Spannung ist und sich beispielsweise nach dem Abkühlen nicht verbiegt. Ebenso ist es wichtig, daß im Betrieb des Körpers keine unerwünschte temperaturbedingte Spannung auftritt. Es ist daher vorteilhaft, wenn mehrere Keramikmaterialien in einem bestimmten Temperaturbereich einen im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Das be- deutet, daß zumindest in den angesprochenen Temperaturbereichen eine mechanische Spannung aufgrund einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der verschiedenen Materialien so weit unterdrückt ist, daß die Funktionalität des keramischen Körpers erhalten bleibt. Der thermische Ausdehnungskoeffizi- ent einer Glaskeramik kann durch die Art und die Menge einer Glaskomponente geregelt werden. So kann das thermische Ausdehnungsverhalten der verschiedenen Keramikmaterialien auf- einander abgestimmt werden. Von besonderem Vorteil ist es, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Keramikmaterials bei der Betriebstemperatur des Körpers bei etwa 6-7 ppm/K liegt. Damit liegt eine sehr gute thermische Anpassung an ein Halbleitermaterial wie Silizium oder Galliumarsenid vor. Ein aktives elektronisches Bauelement (z.B. integrierter Schaltkreis), das auf der Oberfläche des keramischen Körpers angebracht ist und zusammen mit dem Körper eine funktionelle Einheit (elektrisches Bauteil) bildet, weist beispielsweise ein solches Halbleitermaterial auf. Ein elektrisches Bauteil mit der genannten Spezifikation läßt sich in einem weiten Temperaturbereich einsetzen. Dies ist beispielsweise im Hinblick auf eine Anwendung des elektrischen Bauteils im Automobilbereich wichtig. Ein herkömmliches polymeres Substrat zeigt im Vergleich dazu ein deutlich anderes thermisches Ausdehnungsverhalten als ein Silizium-IC. Einem vergleichbaren polymeren Substrat sind deshalb engere Grenzen in der Anwendbarkeit gesetzt als einem keramischen Substrat.
Das Stapeln der Grünfolien erfolgt vorzugsweise so, daß sich bezüglich der unterschiedlichen Keramikmaterialien ein annähernd symmetrischer Folienstapel mit einer Symmetrieebene parallel zu den Folien ergibt. Durch diese Maßnahme wird beim Sintervorgang ein gleichmäßiges Schwinden begünstigt und die Bauteiletoleranz reduziert.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, eine Grünfolie im Stapel anzuordnen, die nur für die schwindungsfreie Herstellung des Körpers gebraucht wird. Die aus dieser Grünfolie hervorgehende Keramikschicht kann elektronisch unwirksam sein.
Im Stapel der Grünfolien wird bevorzugt mindestens eine Schicht angeordnet, die aus einem Elektrodenmaterial besteht. Diese Schicht kann beispielsweise eine strukturierte Metallfolie sein. Die Verwendung einer Metallfolie ist deshalb möglich, da in einer solchen Folie keine laterale Schwindung auftritt. Eine Metallfolie hat den Vorteil, daß sie im Vergleich zu einer Metallpaste einen geringeren elektrischen Widerstand hat (Faktor 2 - 3) . Eine Metallfolie wird beispielsweise durch Stanzen und/oder Atzen strukturiert.
Nach dem Stapeln und Laminieren der Grünfolien (und Schichten aus Elektrodenmaterial) zu einem Verbund erfolgt die gemeinsame Entbinderung des Verbundes. Dies geschieht beispielsweise durch langsame Temperaturerhöhung auf 500°C. Das Lami- nieren erfolgt beispielsweise unter einem einachsigen oder isostatischen Druck.
Nach der Entbinderung wird der Verbund in mindestens zwei Stufen gesintert. Zunächst wird bei tieferer Temperatur die Verdichtung eines ersten Keramikmaterials vorangetrieben. Ein bei dieser Temperatur nicht verdichtendes zweites Keramikmaterial verhindert durch die Haftung der laminierten Folien aneinander den lateralen Schwund. Es findet nur eine Verdichtung senkrecht zu den Folienebenen statt. Wenn die Verdich- tung des ersten Keramikmaterials abgeschlossen ist, wird die Temperatur auf die Sintertemperatur des zweiten Keramikmaterials erhöht. Das nun nicht weiter verdichtende erste Keramikmaterial verhindert seinerseits den lateralen Schwund des zweiten Keramikmaterials. Dadurch gelingt es, den unter- schiedlichen Verdichtungsverlauf der verschiedenen Materialien über die Verdichtung in Dickenrichtung einer Folie zu entkoppeln. Durch diese Entkopplung ist eine gezielte Anpassung der Sintercharakteristik der verschiedenen Keramikmaterialien für eine gemeinsame Sinterung nicht nötig. Für die Unterdrückung des lateralen Schunds spielt das Mengenverhältnis zwischen sinterndem und nicht sinterndem Material eine Rolle. Günstigerweise ist dieses Verhältnis kleiner oder gleich vier.
Es kann zusätzlich mindestens eine weitere Grünfolie verarbeitet werden, die ein weiteres Keramikmaterial aufweist, bei dem die Verdichtung in einem Temperaturintervall stattfindet, das sich vom ersten und vom zweiten Temperaturintervall unterscheidet. Dabei kann es durchaus sein, daß dieses Tempera¬ turintervall mit dem ersten und/oder dem zweiten Temperaturintervall überlappt. Entscheidend ist, daß das Übereinan- derstapeln so erfolgt, daß in jeder Phase des Sinterns durch nicht sinternde Keramikschichten die laterale Schwindung des Verbunds unterdrückt ist.
Das Verfahren eignet sich insbesondere dazu, den keramischen Körper mit einem Träger, beispielsweise einem Metallkörper, fest zu verbinden. Dazu werden in dem mehrstufigen Sinterprozeß die Grünfolien bevorzugt direkt auf einem Träger aufgesintert. Der Träger kann ein Metallkörper sein, der im Betrieb des keramischen Körpers beispielsweise als Kühlkörper fungiert.
Das Übereinanderstapeln, Laminieren, Entbindern und/oder Sintern erfolgt vorzugsweise in einer Matrize mit den äußeren Abmessungen des Körpers oder des Nutzens, aus dem mehrere Körper hergestellt werden. Die Matrize besteht aus einem Material, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig geringes Haftungsvermögen bezüglich des keramischen Körpers aufweist. Das Material der Matrize umfaßt vorzugsweise Siliziumkarbid.
Werden mehrere keramische Körper im Nutzen hergestellt, so erfolgt nach dem Sintern die Vereinzelung der Körper. Dies kann durch Sägen erfolgen. Besonders einfach gelingt das Vereinzeln, wenn ein Körper entlang einer oben beschriebenen Lochstruktur aus einem Nutzen herausgebrochen wird. Das Herausbrechen gelingt auch dann, wenn im Nutzen eine Metallfolie verarbeitet wird. Dazu wird die Metallfolie vor dem Übereinanderstapeln ebenfalls mit einer Lochstruktur versehen. Diese Lochstruktur ist gegenüber der Lochstruktur einer keramischen Grünfolien seitlich versetzt ist, so daß beim Übereinanderstapeln ein Metallsteg, der sich zwischen zwei Löchern einer Metallfolie befindet, und einem Loch einer Grünfolie überein- ander zu liegen kommen. Dieser Metallsteg kann nach dem Sintern beispielsweise durch Atzen entfernt werden. Wenn beispielsweise eine Metallfolie aus Silber verarbeitet wird, bietet sich zum Wegatzen eines Metallstegs ein Gemisch aus Wasserstoffperoxid und Ammoniak an. Im Korper bleiben auf diese Weise nur mehr keramische Stege übrig, die zur Vereinzelung eines Korpers leicht gebrochen werden können. Diese Vorgehensweise eignet sich nicht nur zur Vereinfachung der Vereinzelung eines fertigen keramischen Korpers. Dadurch, daß nach dem Sintern ein vorhandener Metallsteg einer Metallfolie entfernt wird, entsteht unter Umstanden erst ein funktionsfähiges integriertes passives Bauelement.
Vor oder nach dem Vereinzeln ist es unter Umstanden notig, auf der Oberflache des keramischen Korpers elektrisch leitendes Material anzubringen. Dazu eignet sich wie oben beschrieben ein Siebdruckverfahren mit einem angegebenen Material.
Durch die Erfindung wird ein neuartiger keramischen Korper abgedeckt, der einen monolithischen Mehrschichtaufbau aufweist, enthaltend mindestens ein passives elektronisches Bauelement, mindestens eine Schicht aus einem Keramikmaterial, das m einem ersten Temperaturintervall verdichtet und mindestens eine Schicht aus einem Keramikmaterial, das m einem vom ersten Temperaturintervall verschiedenen Temperaturintervall verdichtet.
Im keramischen Korper ist ein passives elektronisches Bauelement beispielsweise m Form einer Induktivität und einer Ka- pazitat mit einem niedrigen Wert. Vor allem ein kompakter
Entkopplungskondensator mit einem Kapazitatswert zwischen 30 pF und 3 nF kann realisiert sein. Kompakte Leitungsstrukturen wie Strip-Lmes oder Tri-Plates mit hoher Gute für einen Resonator, Koppler und Bandpaßfllter zahlen ebenfalls dazu. Als weitere Beispiele sind eine Induktivität und ein Transformator mit einem hohen Induktivitatswert zu nennen. Ebenso kann ein Varistor im keramischen Korper enthalten sein. Der keramische Körper verfügt insbesondere über mindestens eine elektrische Durchkontaktierung. Eine solche Durchkontak- tierung kann sich über mehrere benachbarte Schichten erstrek- ken und Bestandteil eines komplexen integrierten Schaltkreises sein. Insbesondere eine elektrische Anschlußstelle an der Körperoberfläche beispielsweise in Form eines Lötpads ist über eine Durchkontaktierungen mit einem Bauelement im Inneren des Körpers verbunden.
Der Körper weist in einer besonderen Ausgestaltung mindestens eine Schicht aus einem Elektrodenmaterial auf. Diese Schicht ist entsprechend der damit verbundenen Funktionen strukturiert und ist insbesondere ein Bestandteil eines passiven Bauelements. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Plattenelektrode für einen Kondensator realisiert sein.
Der Körper kann auf einem Metallkörper angeordnet sein, der beispielsweise als Kühlkörper fungiert. Der Körper kann dabei auf dem Kühlkörper aufgeklebt oder aufgelötet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Körper monolithisch (beispielsweise durch einen Sinterprozeß) mit dem Kühlkörper verbunden ist.
Das Material eines passiven elektronischen Bauelements, einer Schicht aus Elektrodenmaterial und/oder eines Metallkörpers umfaßt zumindest einen Stoff, der aus der Gruppe Gold, Kupfer, Molybdän, Palladium, Platin, Silber und/oder Wolfram ausgewählt ist. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn das Ma- terial aus hoch leitfähigem Gold, Silber oder Kupfer besteht. Legierungen der Metalle wie beispielsweise Silber/Palladium sind ebenfalls denkbar. Darüber hinaus kann ein Halbleiterund Widerstandsmaterial integriert sein.
Als keramisches Material kommt insbesondere niedrig sinternde Glaskeramik in Frage. Die Glaskeramik einer Schicht kann in Form einer zweiphasigen Glasmatrix (Glasphase und Keramik) oder einer kristallinen Glaskeramikmatrix vorliegen.
Das Keramikmaterial einer Schicht richtet sich nach der Funk- tion, die mit dieser Schicht im keramischen Korper integriert ist. Für die Realisierung einer einfachen elektrischen Zuleitungen durch eine Schicht besteht diese Schicht vorzugsweise aus einem Material mit einer möglichst niedrigen Dielektrizitätskonstante (6 < εr < 8) . Dadurch wird die Signallaufzeit durch die Zuleitung reduziert, bzw. eine Signalverzogerung vermieden. Mit Hilfe eines solchen Keramikmaterials kann ein Kondensator mit einer niedrigen Kapazität (bis herab zu 10 pF) und einer Induktivität (bis herab zu 10 nH) integriert sein. Ein solches Bauelement eignen sich wegen seines kompak- ten Aufbaus bis zu Frequenzen von einigen GHz.
Eine mittlere Dielektrizitätskonstante (25 < εr < 60) ist für solche Schichten vorteilhaft, mit deren Hilfe eine Mikrowellenresonator- oder Filterstruktur realisiert ist (beispielsweise λ/4-Resonator) . Für einen Entkopplungskondensator ist dagegen ein Dielektrikum mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstante von Vorteil (εL > 500) .
Ein keramischer Korper zeichnet sich besonders dann durch eine geringe laterale Toleranz aus, wenn ein erster
Schichtstapel mit einer ersten Schichtenfolge und ein zweiter Schichtstapel mit einer zur ersten Schichtenfolge umgekehrten Schichtenfolge übereinander angeordnet sind. Daraus resultiert ein bezüglich der Keramikschichten annähernd symmetri- scher Korper mit einer zu den Schichten parallelen Symmetrieebene. Zwischen den beiden Schichtstapel kann eine zusatzliche Schicht angeordnet sein.
Durch die geringe Bauteiletoleranz eines vorgestellten kera- mischen Korpers und der Vielzahl an elektronischen Bauelementen, die im Volumen des Korpers integriert sein können, eignet sich der Korper insbesondere als Substrat eines möglichst kleinen, komplexen elektronischen Bauteils (z.B. eines Hochfrequenzmoduls) .
Zusammengef ßt verbinden sich mit der Erfindung hinsichtlich des keramischen Korpers, der einen monolithischen Mehr- schichtaufbau aufweist, und des Verfahrens zur Herstellung des Korpers folgende markante Vorteile:
• Durch einen mehrstufigen Sinterprozeß gelingt es, das late- rale Schwinden des Verbunds der keramischen Grunfolien zu unterdrucken. Daraus resultiert eine sehr geringe Bauteile- toleranz von bis zu 0,1% herab.
• Es kann ein thermomechanisch optimaler Schichtaufbau aus niedrig und hoch sinternder Keramik unter Berücksichtigung der elektrischen und schaltungstechnischen Maßgaben erreicht werden.
• Durch die Reduzierung notwendiger Lotkontakte zwischen den passiven Bauelementen einer Schaltung und den hermetischen Schutz der inneren Schaltung kann eine hohe Robustheit und Produktzuverlassigkeit erreicht werden.
• Das Verfahren eignet sich m besonderem Maße zur Herstellung eines keramischen Korpers im Nutzen (multi up) So können sowohl relativ einfache als auch sehr komplexe Korper kostengünstig hergestellt werden. • Zudem ergibt sich eine hohe Umweltvertraglichkeit durch eine einfache Wiederverwertbarkeit eines keramischen Schal- tungstragers .
Anhand eines einfachen Ausfuhrungsbeispiels und der dazugeho- rigen Figuren wird ein keramischer Korper mit monolithischem Mehrschichtaufbau, der mindestens ein passives elektronisches Bauelement aufweist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgestellt. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen der bezeichneten Gegenstande dar.
Figur 1 zeigt einen keramischen Korper im Querschnitt. Figur 2 zeigt die Abhängigkeit der Schwindung der Keramikmaterialien, aus denen der keramische Körper besteht, von der Temperatur.
Figur 3 zeigt das Temperaturprogramm, mit dem der keramische Körper nach dem Entbindern gesintert wird.
Figur 4 zeigt die Wirkung der Temperaturerhöhung auf den ke- ramischen Körper.
Figur 5 zeigt ausgehend von der Herstellung einer Grünfolie die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung des keramischen Körpers.
Figur 6 zeigt einen Keramikgrünfoliennutzen mit einer Lochstruktur .
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt aus einem gesinterten Nutzen, bei dem eine Keramikschicht und eine Schicht aus Elektrodenmaterial übereinander angeordnet sind, vor einem Atzprozeß.
Figur 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem gesinterten Nutzen, bei dem eine Keramikschicht und eine Schicht aus Elektroden- material übereinander angeordnet sind, nach einem Ätzprozeß.
Gegenstand ist ein vierschichtiges keramisches Mikrowellenmodul 1, das einen monolithischen Mehrschichtaufbau aufweist. Jede Keramikschicht ist etwa 100 μm dick. Die zwei Innen- schichten 11 und 12 bestehen aus einer Glaskeramik 101 mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 80. Εs weist ein Material der Zusammensetzung Ba6-χMe8+2Tii8θ5 (0 < x < 1) auf. Me steht für die seltenen Erden Sm, Nd und La. Die Verdichtung des Keramikmaterials dieser Schichten findet zwischen etwa 870 °C und 970°C statt. Die beiden äußeren Keramikschichten 13 und 14 weisen eine Glaskeramik 102 mit einer Dielektrizitätskonstante von etwa 6 auf. Dieses Material ba- siert auf einem Barium-Aluminium-Silikatglas und verdichtet zwischen 720 und 850°C. In Figur 2 ist die Schwindung der Keramikmaterialien 101 und 102 in Form einer relativen Längenänderung in einer Richtung ΔL/L als Funktion der Temperatur gezeigt.
Der Körper 1 ist aus zwei Schichtstapel 111 und 112 aufgebaut. Der Schichtstapel 111 weist in der Richtung 113 eine Schichtenfolge auf. Der Schichtstapel 112 verfügt über die gleiche Schichtenfolge in der entgegengesetzten Richtung 114. Es liegt ein bezüglich der beiden Keramikmaterialien 101 und 102 annähernd symmetrischer Körper 1 vor mit einer Symmetrieebene, die sich quasi zwischen der Schicht 11 und 12 befindet und parallel zu diesen Schichten ist.
Auf der Ober- und Unterseite sowie im Volumen des Körpers befinden sich passive elektronische Bauelemente 15 - 20. Das Material der Bauelemente umfaßt Kupfer. Auf der Oberseite des Körpers sind neben einer Leiterbahn 16 Lötpäds 17 angebracht, mit deren Hilfe ein SMD-Bauteil und ein IC mit dem Körper verbunden werden können. Auf der Unterseite befinden sich neben einer Leiterbahn 16 auch Lötpads 18 zum Auflöten des Körpers auf eine Leiterplatte.
Zwischen den inneren Schichten befinden sich Plattenelektroden für Kondensatoren sowie Innleiterstrukturen für Tri- Plate-Resonatoren. Diese Bauelemente werden mit Hilfe einer strukturierten Schicht aus Elektrodenmaterial 20 gebildet. Die Gegenelektroden zu den Kondensatoren und Resonatoren be- finden sich zwischen den inneren und äußeren Schichten. Daneben verfügt der Körper 1 über eine elektrische Durchkontak- tierung 19.
Die Herstellung einer zuvor beschriebenen vierschichtigen ke- ramischen Mikrowellenmoduls 1 erfolgt im Nutzen. Anhand der Figur 5 sind die wesentlichen Verfahrensschritte sichtbar. Zunächst wird eine einen organischen Binder enthaltende keramische Grünfolie hergestellt (Prozeß 501). Das keramische Ausgangsmaterial aus Glaskeramik mit der gewünschten Zusammensetzung wird beispielsweise im Mixed-Oxide- oder Sol-Gel- Verfahren hergestellt. Zusammen mit dem organischen Binder und einem Lösungsmittel wird aus dem Ausgangsmaterial ein Schlicker hergestellt, aus dem die Grünfolie gezogen oder gegossen wird. Nach dem Trocknen weisen die Grünfolien eine Schichtdicke von 150 μm auf.
Im nächsten Verfahrensschritt 502 werden in der keramischen Grünfolie Löcher durch Stanzen erzeugt. Dies bedeutet für einen n x n- Nutzen 61, daß n x n identische Löcherkombinationen in der Grünfolie erzeugt werden. Eine Löcherkombinationen enthält je nach Funktionalität der daraus resultierenden Keramikschicht beispielsweise Öffnungen 63, mit denen Durchkon- taktierungen 19 hergestellt werden. Durch die Lochstruktur 62 sind die Löcherkombinationen voneinander getrennt (Figur 6) .
Im nächsten Schritt 503 wird elektrisch leitendes Material im Siebdruckverfahren auf die Grünfolie 61 aufgedruckt. Dazu wird eine kupferhaltige Paste verwendet. Es werden Leiterbahnen von 80 μm und Plattenelektroden aufgetragen.
Sofern Öffnungen 63 für eine elektrische Durchkontaktierung 19 vorhanden ist, werden diese im Schablonendruckverfahren mit elektrisch leitendem Material befüllt. Schablonen- und Siebdruck werden mit derselben Vorrichtung durchgeführt.
In der darauffolgenden Phase 504 werden die Grünfolien im
Nutzen so übereinander gestapelt, daß sich die oben beschriebene Stapelfolge ergibt. Zwischen der Schicht 12 und 13 wird dabei eine strukturierte Metallfolie 20 aus Kupfer angeordnet. Unter einem einachsigen Druck werden die gestapelten Grünfolien zu einem Nutzen eines Verbunds 51 laminiert. Durch langsame Erhöhung der Temperatur von beispielsweise 2K/min wird der Verbund 51 vom Binder befreit (Figur 5, 505) . Nach der Entbinderung erfolgt das Sintern in zwei Stufen (Figuren 3 und 4) . Zunächst wird die Temperatur auf 820°C erhöht (506) . Bei dieser Temperatur verdichtet das Keramikmate- rial 102 der äußeren Schichten 13 und 14 des Verbundes. Die Temperatur wird so lange gehalten, bis die Verdichtung dieses Keramikmateπals abgeschlossen ist.
In der zweiten Stufe 507 wird die Temperatur auf 950°C erhöht und so lange gehalten, bis das Keramikmaterial 101 der inneren Schichten 11 und 12 verdichtet ist.
Diese Verfahrensschritte werden m einer Matrize durchgeführt, die über die Abmessungen der Nutzen der Grunfolien verfugt. Die Matrize ist aus Siliziumkarbid.
Nach dem Abkühlen können die Mikrowellenmodule durch Auseinanderbrechen des Nutzens entlang der Lochstruktur 62 vereinzelt werden und so für die Weiterverarbeitung verwendet wer- den.
Bei der Herstellung des keramischen Korpers wird eine entsprechend ein strukturierte Metallfolie 72 verwendet. Die Strukturierung bzw. das Erzeugen von Offnungen erfolgt durch Stanzen. Neben der Offnungen, auf denen die zu integrierenden Funktionalitäten beruhen, wird m der Metallfolie 72 eine Lochstruktur 73 erzeugt, die die Vereinzelung eines fertigen keramischen Korper vereinfacht. Die Lochstruktur 73 ist gegenüber der Lochstruktur 75 einer keramischen Grunfolie 74 seitlich versetzt, so daß beim Uberemanderstapeln der Folien ein Metallsteg 76, der sich zwischen zwei Lochern 77 und 78 einer Metallfolie 72 befindet, und ein Loch 79 einer Grunfolie 74 übereinander zu liegen kommen. In Figur 7 ist ein Ausschnitt aus einem gesinterten Nutzen 71 zu sehen, der aus der übereinander gestapelten Metallfolie 72 und Grunfolie 74 hervorgeht. Die Figur zeigt den Nutzen 71 vor einem Atzprozeß. Dort, wo die Metallfolie (Schicht aus Elektrodenmaterial) 72 nicht zu sehen ist, ist die Lochstruktur 73 gepunktet dargestellt.
Um aus einem derart gesinterten Nutzen 71 die einzelnen Körper (Mikrowellenmodule) zu vereinzeln, braucht man die verbliebenen Metallstege 76 der Metallfolie 72 nur zu entfernen. Dies gelingt beispielsweise durch Ätzen mit Hilfe eines starken Oxidationsmittels, das Kupfer angreift. Auf diese Weise entsteht ein Nutzen 81, der nur mehr keramische Stege aufweist. Die einzelnen Körper können wieder durch Brechen vereinzelt werden. In Figur 8 ist der Nutzen 81 dargestellt, der aus dem Nutzen 71 durch einen Ätzprozeß gewonnen wird.
Die Weiterverarbeitung eines Mikrowellenmoduls, die beispielsweise das Herstellen von Leiterstrukturen und Lötpads und im weiteren Verlauf das Anbringen von SMD-Bauteilen und IC 's in Flip-Chip - Technik auf der Oberfläche des Moduls beinhaltet, kann auch vor dem Vereinzeln im Nutzen erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Körpers (1), der einen monolithischen Mehrschichtaufbau aufweist und mindestens ein passives elektronisches Bauelement (15 - 20) enthält,
mit den Verfahrensschritten:
a) Herstellen einer einen Binder enthaltenden Grünfolie, b) Übereinanderstapeln mindestens einer Grünfolie, die ein Keramikmaterial aufweist, das in einem ersten Temperaturintervall verdichtet, und mindestens einer Grünfolie, die ein Keramikmaterial aufweist, das in einem vom ersten Temperaturintervall verschiedenen
Temperaturintervall verdichtet, zu einem Stapel, c) Laminieren des Stapels zu einem Verbund, d) Entbindern des Verbunds bei einer erhöhten Temperatur, e) Sintern des Verbunds bei einer Temperatur des ersten Temperaturintervalls, bis das Keramikmaterial, das in diesem Temperaturintervall verdichtet, weitgehend verdichtet ist, und f) Sintern des Verbunds bei einer Temperatur des vom ersten Temperaturintervall verschiedenen Temperaturintervalls, bis das Keramikmaterial, das in dem vom ersten
Temperaturintervall verschiedenen Temperaturintervall verdichtet, weitgehend verdichtet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Übereinanderstapeln, Laminieren, Entbindern und/oder Sintern in einer Matrize erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in einer Grünfolie
(61) mindestens eine Öffnung (63) erzeugt und die Öffnung (63) mit einem elektrisch leitenden Material befüllt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Öffnung (63) durch Stanzen erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Öffnung mittels eines Schablonendruckverfahrens befüllt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei auf einer Oberfläche einer Grünfolie und/oder des Körpers ein elektrisch leitendes Material angebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das elektrisch leitende Material mittels eines Siebdruckverfahrens angebracht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Stapel auf einem Metallkörper aufgesintert wird.
9. Keramischer Körper (1), der einen monolithischen Mehrschichtaufbau aufweist, enthaltend
- mindestens ein passives elektronisches Bauelement (15 - 20),
- mindestens eine Schicht (11, 12) aus einem Keramikmaterial
(101), das in einem ersten Temperaturintervall (201) verdichtet und
- mindestens eine Schicht (13, 14) aus einem Keramikmaterial
(102), das in einem vom ersten Temperaturintervall (201) verschiedenen Temperaturintervall (202) verdichtet.
10.Körper nach Anspruch 9, wobei ein Keramikmaterial aus Glaskeramik besteht.
11. Körper nach Anspruch 9 oder 10, wobei mehrere
Keramikmaterialien in einem bestimmten Temperaturbereich einen im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
12.Körper nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei ein Schichtstapel (111), der in einer Richtung (113) eine Schichtenfolge, und ein Schichtstapel (112), der die gleiche Schichtenfolge in der entgegengesetzten Richtung (114) aufweist, übereinander angeordnet sind.
13. Körper nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei ein Keramikmaterial (102) im Temperaturintervall zwischen 720°C und 850°C verdichtet.
14.Körper nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei ein Keramikmaterial (101) im Temperaturintervall zwischen 870°C und 970°C verdichtet.
15.Körper nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Körper (1) mindestens eine Schicht aus einem Elektrodenmaterial (20) aufweist.
16.Körper nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei der Körper (1) auf einem Metallkörper angeordnet ist.
17.Körper nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei das Bauelement (15 - 19), die Schicht aus einem Elektrodenmaterial (20) und/oder der Metallkörper zumindest einen Stoff aufweist, der aus der Gruppe Gold, Kupfer, Molybdän, Palladium, Platin, Silber und/oder Wolfram ausgewählt ist.
18.Verwendung des Körpers nach einem der Ansprüche 9 bis 17 als ein Substrat eines Hochfrequenzmoduls.
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