DE3787399T2

DE3787399T2 - Verfahren zum Herstellen eines keramischen Mehrshictsubstrates mit massivem nicht-porösem Metall-Leiter.

Info

Publication number: DE3787399T2
Application number: DE87105869T
Authority: DE
Inventors: John Acocella; Lester Wynn Herron; Robert Otis Lussow; Robert Wolff Nufer; Srinivasa N Reddy; Bernard Schwartz
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1986-05-02
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2007-04-23
Also published as: JPH0150119B2; JPS6399596A; US4753694A; EP0244696A2; DE3787399D1; EP0244696A3; EP0244696B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Mehrschichtsubstraten, die besonders zum Anbringen und Verbinden von Halbleiterchips verwendbar sind.
Die Anwendung, bei der die vorliegende Erfindung ihren größten Nutzen hat, besteht in ihrem Einsatz in einem Mehrchipmodul zur Verwendung in einer Datenverarbeitungsanlage. Sowohl diese Anwendung und das dann dem Stand der Technik zugehörige Mehrchipmodul als auch das Verfahren zum Herstellen des keramischen Mehrschicht(MLC)-Substrats wird von A.J. Blodgett und D.R. Barbour in einem Artikel mit dem Titel "Thermal Conduction Module: A High Performance Multi-layer Ceramic Package" beschrieben, der in IBM Journal of Research and Development, Vol. 26, Nr. 1, Januar 1982, Seiten 30 und folgende veröffentlicht ist.
Der vorgenannte Artikel hebt die Verringerung der Zykluszeit gegenüber früheren Verfahren zum Verbinden von Schaltungskomponenten untereinander hervor, die durch das thermische Leitungsmodell erzielt wird.
Eine weitere Abhandlung über die Herstellung von Mehrschichtkeramiken findet sich in dem Artikel von W.G. Berger und C.W. Weigel mit dem Titel "Multilayer Ceramics Manufacturing", der in IBM Journal of Research and Development, Vol. 27, Nr. 1, Seiten 11 und folgende veröffentlicht ist.
Die Schaltkreisdichte und Anzahl der einzelnen Schaltkreiselemente auf einem Chip nimmt ebenso wie die Betriebsgeschwindigkeit der Chips ständig zu. Daraus abgeleitet nimmt die sogenannte Dichte der "Anschlußstiftkonfiguration" des Chips, d. h. die Anzahl der Schaltkreiskontaktstellen des Chips pro Flächeneinheit für die Verbindung mit dem Mehrschichtkeramik(MLC)-Substrat zu. Dies erfordert ein entsprechendes Anwachsen der Dichte der "Anschlußstiftkonfiguration" des komplementären Kontaktstellenmusters des MLC-Substrats. Das Anwachsen der Anzahl von Kontakt stellen pro Chip erfordert ein Anwachsen der Anzahl von Leitern zwischen den Chips.
Zwar kann man die Anzahl der Schichten im MLC-Substrat erhöhen, um komplexere Zwischenverbindungs-Metallmuster bereitzustellen, dies geschieht aber nicht ohne Nachteile. Jegliche Zunahme der Leiterlänge läßt Schaltkreisverzögerungen anwachsen. Ein Hinzufügen von Schichten erhöht die Herstellungsschwierigkeiten. Das Problem der Dichte der Anschlußstiftkonfiguration wird nicht gelöst, solange nicht ein Mittel zum Auftrag eines feineren, enger beabstandeten Metallisierungsmusters auf dem MLC-Substrat gefunden werden kann.
MLC-Substrate nach dem Stand der Technik verwendeten auf der jeweiligen dünnen Schicht gesinterte Metallmuster, die durch gesintertes Metall in Kontaktlöchern, die dünnen Schichten an ausgewählten Stellen durchdringen, untereinander verbunden sind. Die Metallmuster wurden durch ein Maskierungsverfahren auf die dünnen Rohschichten aufgebracht. Dieses Verfahren ist nicht dazu in der Lage, sehr schmale, eng beabstandete Leiter herzustellen, und vermag nicht die komplementäre Anschlußstiftkonfiguration für die fortgeschrittene Chipgeneration herzustellen. Selbst wenn es dazu in der Lage wäre, weist gesintertes Metall einen zu hohen spezifischen Widerstand auf, als daß es die Verwendung von kleinflächigen Leitern erlauben würde.
Derartige Verfahren sind in IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 16, Nr. 9, Februar 1974, Seiten 2887-2888 beschrieben, wobei ein Schaltkreismuster dadurch gebildet wird, daß eine Leiterpulverpaste auf eine Trägerschicht aufgetragen und dann das Schaltkreismuster auf eine keramische Basis übertragen wird.
Das Problem des spezifischen Widerstands wurde durch Ahn et al in der US-A-3,852,877 teilweise angesprochen, worin diese metallisierte, gesinterte Hohlräume in dem gebrannten MLC-Substrat gebildet und nachfolgend die Hohlräume mit geschmolzenem Metall hoher Leitfähigkeit, wie z. B. mit Kupfer, gefüllt haben, um das Zwischenverbindungs-Metallmuster bereitzustellen. Ahn et al beschreiben ihre Erfindung mit "das Wesentliche dieser Erfindung liegt in der Bildung metallisierter Kapillaren innerhalb einer Mehrschichtkeramikleiterplatte, wobei diese Kapillaren nachfolgend mit einem Metall hoher Leitfähigkeit gefüllt werden".
Da die Kapillaren mit einem hochschmelzenden Metall ausgekleidet und mit geschmolzenem Metall gefüllt werden, nachdem das Substrat gebrannt ist, bestand das leitende Netzwerk aus massivem Metall und gesintertem, hochschmelzendem Metall. Somit war die Dichte des leitenden Netzwerks nicht nur durch das Maskierungsverfahren beschränkt, sondern auch durch die Notwendigkeit, ausgekleidete Kapillaren zu besitzen, durch die das geschmolzene Metall nachfolgend fließen konnte. Die Kontaktlöcher und Metallpastenmuster waren in einer der beschriebenen Ausführungsformen 0,25 mm (10 mils) groß. In einer anderen Ausführungsform nahm, im Gegensatz zu einer ausgekleideten Kapillare, eine poröse Kapillare das geschmolzene Metall auf.
Wenn feine, eng beabstandete, nicht gesinterte metallische Leiter in einem MLC-Substrat verwendet werden sollen, muß das Metall durch ein anderes Verfahren als durch Maskierung aufgebracht werden, und das Metall muß eine höhere Schmelztemperatur als die Sintertemperatur der Keramik aufweisen. Das Metall muß außerdem einen niedrigen spezifischen Widerstand besitzen. Die gewählte Keramik darf entweder beim Brennen kein Schrumpfen zeigen oder muß am Schrumpfen gehindert werden. Die US-A-3,879,509 beschreibt verschiedene Keramiken und Verfahren zur Unterdrückung des Schrumpfens während des Brennens.
Die Verwendung von Glaskeramiken, die bei Temperaturen niedriger als die Schmelzpunkte hochleitfähiger Metalle gebrannt werden können, für MLC-Substrate wurde ausführlich in den US-A-4,234,367, 4,301,324, 4,340,436 und 4,413,061 erörtert. Glaskeramiken weisen nicht nur diese wünschenswerte Eigenschaft, sondern außerdem eine niedrige Dielektrizitätskonstante, eine hohe Biegefestigkeit und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, was alles für schnelle elektronische Anwendungen höchst wünschenswert ist.
Zum Beispiel bezieht sich die FR-A-2,163,443 auf ein Verfahren zum Herstellen eines Mehrschichtsubstrats, bei dem die Leiter direkt auf Glas abgeschieden werden, woraufhin die Glas-Leiter laminiert und erhitzt werden. Dieses Verfahren erlaubt nicht die Erzielung von feinen, eng beabstandeten Leitern, insbesondere, weil kein Verfahren zum Sintern des Glases bei gleichzeitiger Schrumpfungsunterdrückung des laminierten Glas-Leiter-Materials existiert.
Die Verfahren zum Herstellen mikroskopisch kleiner, metallisierter Muster auf Halbleiterchips sind gemäß dem Stand der Technik wohlbekannt. Wenn diese zum Herstellen der Metallmuster auf den dünnen MLC-Schichten angepaßt werden könnten, könnte man nicht nur die dichte Anschlußstiftkonfiguration, sondern auch die feinen, eng beabstandeten Leiter erzielen. Diese Metallisierungsverfahren für Halbleiterbauelemente sind jedoch für ein direktes Metallisieren der dünnen Rohschichten eines MLC-Substrats nicht geeignet. Die Rohschichten besitzen keine genügend glatte Oberfläche, um die feinen, eng beabstandeten Metallmuster direkt ohne Gefahr einer Rißbildung oder einer Veränderung des kritischen Zwischenleiterabstands aufzunehmen. Außerdem würde jegliches Metallisierungsverfahren, das einen Unterdruck erfordert, durch organisches Ausgasen von Bindemitteln schwerwiegend beeinflußt werden, wodurch die Zusammensetzung der Rohschicht verändert (zum Beispiel Schichten steif gemacht werden) und das Prozeßsystem verunreinigt wird.
Daher ist es notwendig, eine Alternative für das Abscheiden des feinen Metallmusters direkt auf der Rohschicht zu finden.
Daher ist es Aufgabe dieser Erfindung, ein Mehrschichtkeramik- Substrat zur Verwendung beim Anbringen und Verbinden von elektronischen Bauelementen durch Abscheiden eines vorgegebenen Musters von massiven Metalleitern auf jeder einer Mehrzahl von Trägerschichten herzustellen, wobei jedes der Muster auf eine jeweilige, nicht gebrannte, keramische Rohschicht übertragen, die Rohschichten zueinander justiert laminiert und die laminierten Rohschichten bei einer Temperatur gesintert werden, die niedriger als der Schmelzpunkt der Metalleiter ist, während die laminierte Keramik in der X- und der Y-Richtung am Schrumpfen gehindert wird.
Ein weiteres Ziel besteht darin, das Metallmuster auf eine vorgeformte Rohschicht zu übertragen und die Trägerschicht abzulösen.
Ein weiteres Ziel besteht darin, das Metallmuster durch Aufbringen der Rohschicht auf die Trägerschicht, wobei das Metallmuster vorgeformt ist, zu übertragen und dann die Trägerschicht zu entfernen.
Noch ein weiteres Ziel besteht in der Bereitstellung eines Mehrschichtkeramik-Substrats mit eingebetteten und freiliegenden Leiterelementen, die geeignet sind, eine Mehrzahl von externen elektronischen Bauelementen anzubringen und untereinander zu verbinden, und einzig aus einer Mehrzahl von untereinander verbundenen Schichten aus massiven, metallischen, nicht gesinterten Leitermustern bestehen, welche in einem gesinterten Keramiksubstrat eingekapselt sind.
Diese und andere Ziele und Vorteile werden mit dem Verfahren zum Herstellen eines Mehrschichtsubstrats, wie es durch Anspruch 1 dargelegt ist, erreicht.
Fig. 1 zeigt das Rohschichtlaminat in einer Anordnung mit Schrumpffreiheit in einem Ofen mit kontrollierter Gasatmosphäre.
Fig. 2A zeigt ein massives Metallmuster mit massiven leitenden Stiften, wobei die Trägerschicht noch vorhanden ist. Eine Rohschichtemulsion ist auf das Metall aufgegossen, um die strukturierte Rohschicht zu bilden.
Fig. 2A' zeigt eine Alternative zu massiven Metalldurchkontaktierungen, wobei die Durchkontaktierung mit einer Legierung bedeckt sein kann.
Fig. 2A'' zeigt ein Metallmuster auf einer Trägerschicht, welches zu einer Rohschicht mit gestanzten und einer Paste gefüllten Durchkontaktierungen justiert und an diese gebondet ist.
Fig. 2B zeigt einen Teil des Laminats, nachdem die Trägerschicht entfernt ist.
Die Schaltungsanordnung auf den einzelnen Chips und die geforderte Funktion des Mehrchipmoduls schreiben die notwendigen Verbindungen zwischen den Chips und die Verbindungen zu den Anschlußstiften oder anderen externen Modulkontakten vor. Die "Anschlußstiftkonfiguration" eines jeden der Chips legt die Geometrie der komplementären Kontaktstellen auf dem MLC-Substrat fest, mit dem die Chips verbunden werden. Während diese Voraussetzungen die Geometrie und was miteinander verbunden wird vorschreiben, legen sie nicht die Pfade fest, welchen die Verbindungen folgen müssen.
Der Schaltkreis-Designer bestimmt die optimale Konfiguration der verbindenden Metallmuster innerhalb des Substrats, um den Chips Leistung zuzuführen und so die signalführenden Leiter zu konfigurieren, um die gewünschte Impedanzanpassung zu erzielen, um das Übersprechen zwischen Signalleitungen zu minimieren und um die Betriebsgeschwindigkeit zu maximieren. Es ist ein Axiom, daß eine zunehmende Leiterlänge sowohl den Widerstand als auch die Kapazität eines aus eng beabstandeten Leitern bestehenden Schaltkreises erhöht. Ein Entwurfskriterium ist daher, die Leiterlänge zu reduzieren. Eine Verringerung des Leiterquerschnitts erhöht den Widerstand und vermindert die Kapazität. Ein Reduzieren des Abstands zwischen Leitern hat keinen Einfluß auf den Widerstand, erhöht aber die Zwischenleiterkapazität. Die Verringerung des Zwischenleiterabstands kann jedoch, wenn sie ein gesamtes Anwachsen der Metallisierungsdichte zur Folge hat, eine kompensierende Verringerung der Leiterlänge bewirken, wodurch die RC-Zeitkonstante des Schaltkreises vermindert wird.
Massive Metalleiter besitzen einen niedrigeren Widerstand pro Längeneinheit als gesinterte Metalleiter mit vergleichbarem Querschnitt. Daher sind massive Metalleiter, vorzugsweise aus Kupfer, notwendig, wenn feine, eng beabstandete Leiter verwendet werden sollen.
Der Schaltkreis-Designer entwickelt die zur Erfüllung seiner Anforderungen optimale Struktur, wobei er rechnerunterstützte Entwurfstechniken einsetzt, um einen Kompromiß für die widerstreitenden Phänomene zu finden. Die vom Schaltkreis-Designer gefundene Struktur erfordert jedoch eine weitere Modifikation, um seine vorgeschlagene Struktur mit den Prozeßbedingungen zum Herstellen von MLC-Substraten in Einklang zu bringen, was Materialkompatibilität, Temperaturkompatibilität, Wirtschaftlichkeit der Herstellung, Ausbeute und viele andere Faktoren einschließt. Dies erfordert eine umfassende Zusammenarbeit zwischen dem Schaltkreis-Designer und den Fachleuten für das MLC-Verfahren und die MLC-Materialien.
Das für die Leiter gewählte Metall darf nicht bei einer Temperatur schmelzen, die niedriger als die Sintertemperatur des MLC- Materials ist. Das MLC-Material sollte einen hohen spezifischen Widerstand und eine niedrige Dielektrizitätskontante besitzen und sollte die erforderlichen physikalischen Eigenschaften aufweisen. Aufgrund der feinen Metallmuster darf es dem MLC-Material nicht möglich sein, während des Sinterns in der X- und der Y-Richtung zu schrumpfen, damit es nicht die Metalleiter brechen läßt oder die durch den Schaltkreis-Designer solchermaßen sorgfältig ausgewählten Schaltkreisparameter verändert, wie zum Beispiel durch Verzerren des Zwischenleiterabstands.
Die MLC-Struktur an sich kann so beschrieben werden, daß sie lediglich aus massiven, nicht-porösen Metalleitern besteht, die in ein gesintertes Keramiksubstrat mit Mitteln (d. h. Durchkontaktierungen) zur elektrischen Verbindung der Leiter reingekapselt sind. Die massiven, nicht-porösen Leiter sind im wesentlichen homogen, somit bleiben die elektrischen und mechanischen Volumeneigenschaften der Leiter unangetastet. Dies steht im Gegensatz zu Verbundmetall-Leitern, die aus gesinterten Metalleitern bestehen. Ein Beispiel für die Wichtigkeit dieses Punktes ist, daß die elektrische Leitfähigkeit einer massiven, nichtporösen, homogenen Kupferleitung ungefähr zweimal so hoch ist wie für eine gesinterte Verbundkupferleitung. Allgemein sind interplanare, verbindende Durchkontaktierungen nach wie vor als gesinterte Verbundleiter ausgebildet, aber ausgewählte Durchkontaktierungen können auch aus massiven, nicht-porösen, homogenen Leitern bestehen. Die Materialien für dieses MLC-Substrat werden so gewählt, daß die Sintertemperatur des speziellen verwendeten Keramikmaterials niedriger als der Schmelzpunkt der in dem Baustein verwendeten Metalleiter, d. h. Kupfer, Gold, Silber oder andere leitfähige (d. h. mit einem spezifischen Widerstand kleiner als 2 · 10&supmin;&sup6; Ohm cm) Elemente oder Legierungen, ist. Spezieller weist das Keramikmaterial typischerweise eine Sintertemperatur unter 1000ºC auf, somit sollten die verwendeten Metalleiter einen Schmelzpunkt über 1000ºC besitzen.
Die Metallmuster auf einer typischen MLC-Struktur weisen auf der Oberseite Kontaktstellen auf, die komplementär zu den freiliegenden I/O-Kontaktstellen von Halbleiterchips sind. Die typischen Abmessungen der Leiter liegen im Bereich von ungefähr 12,5 Mikrometer bis 100 Mikrometer (0,5 mils bis 4 mils) bei Abständen von ungefähr 25 Mikrometer bis 400 Mikrometer (1 mils bis 16 mils). Andere Abmessungen können ebenso verwendet werden, zum Beispiel sind Anwendungen mit feinen Leitungen bekannt, bei denen die Leitungsbreiten im Bereich von ungefähr 2 Mikrometer bis 10 Mikrometer liegen. Die interplanaren Verbindungen zwischen Metallmustern können verstärkte, massive Metallstifte, eine leitfähige Paste oder Stifte sein, die mit einer Legierung aus einem Metall bedeckt sind, welches zwischen den Stiften und damit verbundenen Mustern angeordnet ist. Dabei weist das dazwischen liegende Metall einen Schmelzpunkt auf, der ungefähr gleich der Sintertemperatur der ausgewählten Keramik ist.
Das Verfahren zum Fertigen des MLC-Substrats kann in folgenden Schritten zusammengefaßt werden: Abscheiden eines Metalls und Bilden der jeweiligen planaren, leitfähigen Metallmuster auf bestimmten Bereichen einer glatten, formbeständigen Trägerschicht, Übertragen jedes der so gebildeten Metallmuster auf jede jeweilige dünne Rohschicht, Laminieren der Rohschichten unter Justierung zueinander und Sintern der laminierten Struktur, während sie am Schrumpfen und Verwerfen gehindert wird.
Während des Sinterns werden die laminierten Rohschichten an einer lateralen Schrumpfung und einer transversalen, nicht-planaren Verformung gehindert. Das Verhindern der Schrumpfung ist der Schlüssel zum erfolgreichen Erzeugen der Struktur der vorliegenden Erfindung ohne Verzerren der massiven Metallmuster oder Brechen oder Verformen der Keramik. Schrumpfung und Verformung werden durch schichtenweises Anordnen eines laminierten Stapels von Rohschichten zwischen zwei porösen Druckplatten, von denen jede eine Sintertemperatur aufweist, die höher als jene der Rohschichten ist, und anschließendes Anlegen einer Druckkraft an die Druckplatten verhindert.
Als weitere Sicherstellung der Schrumpfungsfreiheit umgibt die Druckplatten und das Substrat eine Anordnung mit den lateralen Abmessungen der MLC-Struktur entsprechender Ausdehnung.
Die leitfähige Metallschicht für jedes der planaren, beabstandeten Metallmuster wird abgeschieden und photolithographisch in ein Muster auf einer glatten, formbeständigen Schicht strukturiert, die mit einem Trennmaterial überzogen ist, vorzugsweise eine mit Polyvinylbutyral überzogene Polyethylenterephthalat(PET)-Schicht. Die Schicht kann ebenso typischerweise aus anderen stabilen, organischen Polymerfilmen (d. h. Polyimid) oder Metallschichten oder Kombinationen aus ihnen bestehen. Der Überzug kann ebenso typischerweise aus anderen depolymerisierbaren Polymermaterialien wie Alphamethyl-Styrol, Polyisobutylen oder Polymethylmethacrylat (PMMA) bestehen. Das Depositionsverfahren kann irgendeines von mehreren sein, das dazu in der Lage ist, die erforderlichen, feinen, eng beabstandeten Metalleiter herzustellen.
Dann werden glaskeramische Rohschichten gemäß der Lehre der US-A-4,301,324 von Kumar et al und der US-A-4,234,367 von Herron et al. einschließlich des Stanzens und Maskierens von Kontaktlöchern präpariert. Die Kontaktlöcher werden typischerweise durch herkömmliche Techniken mit einer leitfähigen Metallpaste gefüllt, die bei einer Temperatur sinterbar ist, welche mit der Sintertemperatur der Glaskeramik verträglich ist. Eine bevorzugte kontaktlochfüllende Paste zur Verwendung für massive Kupferleiter ist Kupferpaste. Wie in den nachfolgenden Beispielen gezeigt werden wird, können Verbindungen zwischen Ebenen aus strukturiertem Metall durch metallisierte Stifte oder mit einer Legierung bedeckte Stifte gebildet werden. Jedes der Metallmuster wird dann auf seine jeweilige vorgestanzte, kontaktlochgefüllte Rohschicht in genauer Justierung zu ihr gelegt.
Jede Rohschicht mit ihren justierten Metallmustern samt Trägerschicht wird dann in eine geheizte Presse verbracht, um die Leiter in das Rohschichtmaterialeinzubetten.
Die Trägerschicht wird daraufhin von den nun metallisierten Rohschichten und den jeweiligen dünnen Schichten, die in genauer Justierung schichtenweise angeordnet und in der auf die in der US-A-4,234,367 beschriebenen Weise laminiert sind, abgelöst.
Wenn die so laminierte MLC gesintert ist, wird die Trennschicht, d. h. das Butyral, abgebrannt, und die metallisierende Durchkontaktierungs-Kupferpaste wird gesintert, um die massiven Metallmuster leitend zu verbinden. Während des Sinterns wird, wie beschrieben werden wird, die Glaskeramik begrenzt, um eine Schrumpfung in der X- und der Y-Richtung zu verhindern und eine Sinterbewegung nur in der Z-Richtung zu erlauben.
Eine Alternative zur Verwendung von gefüllten Durchkontaktierungen ist der Auftrag der planaren Metallmuster auf dem überzogenen PET-Substrat, gefolgt von einem zusätzlichen Auftrag von Stiften in den ausgewählten Bereichen der planaren Muster, in denen es notwendig ist, das Muster mit einem Musterbereich in einer angrenzenden Schicht zu verbinden. Dies geschieht anstelle einer gefüllten Durchkontaktierung zur Verbindung von angrenzenden Mustern.
Diese erhöhten Stifte erhalten dann einen Überzug aus einem Metall, das während des nachfolgenden Sinterzyklus schmelzen wird, um die Stifte mit jeglichem angrenzenden Metall in der nächsten folgenden Metallisierungsschicht zu verbinden. Die Rohschichtemulsion wird dann in der gleichen Weise, wie zuvor eine Emulsion auf eine PET-Trägerschicht gegossen wurde, direkt auf die metallisierten, strukturierten Trägerschichten gegossen. Die Emulsion so um die Leiter herum zu gießen, bettet sie sehr wirksam in die Rohschicht ein und verzerrt die Leiter nicht. Die Dicke der Rohschicht wird so gesteuert, daß die erhöhten Stifte leicht über die Oberfläche der Rohschicht nach deren Trocknen herausragen. Nach einem herkömmlichen Trocknungsvorgang wird die PET-Trägerschicht von den Rohschichten abgelöst, um die eingebetteten, noch mit Butyral oder PMMA etc. überzogenen Metallmuster freizulegen. Die Oberseiten der freigelegten Stifte sind mit einer Legierung mit einem Schmelzpunkt, der gleich der Sintertemperatur ist, bedeckt, wobei die Legierung, wenn sie geschmolzen ist, mit dem angrenzenden Muster verschmelzen und in einen Leitungspfad hineinragen wird.
Die Rohschichten werden dann justiert aufeinandergeschichtet und laminiert sowie gesintert, währenddessen das darüberliegende Metall auf den Stiften schmilzt, um eine haftende Brücke zwischen den Stiften und den angrenzenden Bereichen der nächsten Metallisierungsschicht bereitzustellen. Während des Sinterns wird das MLC-Laminat am lateralen Schrumpfen und transversalen Durchbiegen gehindert, und das Butyral, PMMA etc. wird abgebrannt. Bezugnehmend auf Fig. 1 ist dort eine typische Sinteranordnung zur Erfüllung dieser Punkte in einem Ofen mit kontrollierter Gasatmosphäre 10 gezeigt. In Fig. 1 kann das Laminat 15 zwischen zwei porösen Aluminiumplatten 13, 14 und in einer Fixierungsvorrichtung 12, die eine Seitenwandbewegung verhindert, angeordnet sein. Ein Fixierungsvorrichtungsteil 16 ermöglicht ein gleichmäßiges Belasten und erlaubt gleichzeitig, daß Sauerstoff das Laminat erreicht, um das Abbrennen von Bindemitteln zu steigern.
Der vorhergehende Überblick über das Verfahren wird in der folgenden Schrittabfolge ausgeführt:

Beispiel I

Dieses Beispiel zeigt die Verwendung einer Rohschicht mit gestanzten und maskierten Pasten-Durchkontaktierungen, die in Verbindung mit einer massiven metallisierten Trägerschicht verwendet wird. Fig. 2A'' ist bezeichnend für diese Art von Struktur.

Schritt 1

Eine PET-Trägerschicht wird durch Sprühen oder Walzbeschichten mit einer dünnen Schicht aus Polymethylmethacrylat bedeckt.

Schritt 2

Eine Schicht aus massivem Metall mit der gewünschten Leiterdicke wird auf die Trägerschicht 24 durch Walzlaminieren einer Metallfolie auf die Schicht oder durch andere herkömmliche Mittel, wie Aufbauen der gewünschten Dicke durch Sputtern oder Verdampfen des Metalls, aufgebracht.

Schritt 3

Die durch die Trägerschicht getragene Metallschicht wird dann gängigen Photolithographie- und Ätzverfahren unterworfen, wodurch das gewünschte, leitende Metallmuster 26 zurückbleibt. Es ist zu beachten, daß, wenn Lift-off- oder andere Dünnschichttechniken verwendet werden, Leitungen im Bereich von ungefähr 3 Mikrometer bis 6 Mikrometer gefertigt werden können. Dünne Leitungen können auch bei Verkappungsstrukturen wie jenen, die in der US-A-4,221,047 beschrieben sind, welche Dünnfilm-Umverteilungsschichten über einer MLC-Struktur einbauen, verwendet werden.

Schritt 4

Für Standardbausteine weisen diese Muster heutzutage typischerweise eine Leiterbreite von ungefähr 50 Mikrometer (2 mils), eine Höhe von ungefähr 25 Mikrometer (1 mil) und einen Zwischenleiterabstand von ungefähr 50 Mikrometer (2 mils) auf.
Eine Mehrzahl von glaskeramischen Rohschichten 22, wie die von Kumar et al in der US-A-4,301,324 gelehrten, werden in herkömmlicher Weise auf eine separate PET-Schicht gegossen, getrocknet, auf die richtige Größe zugerichtet und mit justierten Löchern und Kontaktöffnungen perforiert, um die jeweiligen MLC-Laminate bereitzustellen.

Schritt 5

Die Kontaktlöcher in jeder der so präparierten Schichten werden mit einer leitenden Kupferpaste, wie durch das Bezugszeichen 26C in Fig. 2A'' angegeben, gefüllt. Es ist zu beachten, daß die in den Fig. 2A beziehungsweise 2A' gezeigten Durchkontaktierungen 26A und 26B massive Metallleiter darstellen, welche anstelle der Durchkontaktierungen 26C in dem im Beispiel 2 offenbarten Verfahren verwendet werden.

Schritt 6

Jedes der Metallmuster 26 wird zusammen mit seiner Trägerschicht 24 in genauer Justierung von seiner jeweiligen Rohschicht 22 überdeckt und in einer Presse mit einem Druck von ungefähr 21,09 kg/cm² (300 psi) bei einer Temperatur von ungefähr 75ºC bis 95ºC ungefähr 2 Minuten lang zusammengepreßt, um die Leiter in die Rohschicht zu bonden. Es ist zu beachten, daß der exakte, erforderliche Druck eine Funktion der Flachheit der keramischen Rohschichten ist und daß die exakte Temperatur eine Funktion der verwendeten Trägerschicht und des verwendeten Trennmittels ist.

Schritt 7

Daraufhin wird die PET-Trägerschicht abgelöst, wobei das Metallmuster 26 auf jeder der keramischen Rohschichten 22 zurückbleibt.

Schritt 8

Die Rohschichten werden dann in genauer Justierung mittels der vorperforierten Positionierlöcher aufeinandergeschichtet und bei hohen Drucken laminiert, wobei der genaue Druck von der Leitergeometrie, der Dicke der Rohschichten und der Dicke des gesamten Substrats abhängt, d. h. wenigstens ungefähr 210 kg/cm² (3000 psi) beträgt. Der Zweck der Laminierung besteht darin, das massive Metalleiter-Muster in die keramische Rohschicht einzubetten und eine selbsthaftende, einheitliche Struktur bereitzustellen.

Schritt 9

Die so laminierte Struktur 15 wird dann in einer Presse, wie jener in Fig. 1 gezeigten, gesintert, wobei die Presse einen geradlinigen Hohlraum 12 beinhaltet, dessen X- und Y-Abmessungen gleich den X- und Y-Abmessungen des MLC-Endprodukts sind und dessen Boden perforiert ist. Dies begrenzt die laminierte Struktur bezüglich eines Ausdehnens unter einer transversalen Druckkraft. Eine obere und eine untere Druckplatte 13 und 14 mit X- und Y-Abmessungen, die in ihrer Ausdehnung denjenigen des Hohlraums entsprechen, nehmen die dünne MLC-Schicht 15 schichtweise zwischen sich auf.
Die Druckplatten 13 und 14 werden durch eine starre Metalldruckplatte 16 und den Boden des Hohlraums 12, die perforiert sind, um das Entweichen von Gasen während des Sinterns zu ermöglichen, rückseitig gestützt.
Die Druckplatten 13 und 14 werden aus einer teilweise nicht-gesinterten, porösen Keramik mit einer höheren Sintertemperatur als jener der laminierten Glaskeramikstruktur 15 hergestellt, so daß sie während des Verfahrens nicht sintern und somit nicht schrumpfen.
Diese Druckplatten bestehen vorzugsweise aus vorgesintertem, porösem Al&sub2;O&sub3; und einem Glaskörper, die, wenn sie gegen die laminierte Glaskeramikstruktur gedrückt werden, eine rückhaltende Reibungskraft liefern, um eine X-Y-Schrumpfung und eine Verzerrung in der Z-Richtung zu verhindern.
Das Sintern des laminierten Aufbaus (siehe Fig. 1) in seiner Presse wird durch die folgende Aufeinanderfolge von Temperaturen, Druckkräften, Umgebungsdrucken und Prozeßzeiten durchgeführt:
(a) Anlegen von Druck, um eine X-Y-Schrumpfung während des Sinterns zu vermeiden, während eine Verdichtung in der Z-Richtung ermöglicht wird, (d. h. 0.07 kg/cm² bis 14,06 kg/cm² (1 psi bis 200 psi));
(b) Erhöhen der Temperatur mit einer Rate von ungefähr 1ºC/min bis 4ºC/min auf ungefähr 720ºC bis 740ºC in einer Stickstoffumgebung;
(c) ungefähr 30 Stunden lang Halten bei ungefähr 720ºC bis 740ºC in einer H&sub2;/H&sub2;O-Umgebung;
(d) Erhöhen der Temperatur mit einer Rate von 2ºC/min auf ungefähr 965ºC und dann ungefähr 2 Stunden lang Halten der Temperatur in einer Stickstoffumgebung;
(e) Erniedrigen der Temperatur mit einer Rate von ungefähr 5ºC/min auf Raumtemperatur.

Beispiel II

Dieses Beispiel zeigt die Verwendung einer metallisierten (massives Metall) Trägerschicht, die mit Stiften (massives Metall) als Durchkontaktierungen verwendet wird, welche nachfolgend mit einer Glaskeramikemulsion überzogen wird, um metallisierte Rohschichten zu bilden. Dies ist am besten in Fig. 2A dargestellt.

Schritt 1

Es werden wie in den Schritten 1 und 2 des Beispiels I planare, massive Metallmuster 26 gefertigt, außer daß hier typischerweise eine dickere Metallschicht verwendet wird.

Schritt 2

Die durch die Trägerschicht getragene Metallschicht wird daraufhin einem aus zwei Schritten bestehenden Photolithographie-/Ätzverfahren unterworfen, wobei das gewünschte Metallmuster zurückbleibt. Im ersten Schritt wird das Leitungsmuster geätzt, und im zweiten Schritt wird das Stiftmuster (siehe die Stifte 26A, Fig. 2A) geätzt. Die Oberfläche der freiliegenden Stifte kann fakultativ mit Silber überzogen werden, wobei eine Cu-Silber-Legierung mit einem Schmelzpunkt von 900ºC gebildet wird, welche, wenn sie schmilzt, eine leitende Verbindung zwischen den Stiften und dem nächsten darüberliegenden, planaren Muster bereitstellen wird. Dies ist in Fig. 2A' dargestellt, in der der überzogene Stift durch das Bezugszeichen 26B bezeichnet ist.

Schritt 3

Dann wird die Glaskeramikemulsion über die planaren Metallmuster bis zur Höhe der Stifte gegossen.
Die resultierende Struktur 20 sieht wie in Fig. 2A oder 2A' schematisch gezeigt aus. Die keramische Emulsion 22 wird direkt auf die überzogene PET-Trägerschicht 24 gegossen, auf der die planaren Metallmuster 26 abgeschieden wurden. Nachdem die Rohschichtemulsion getrocknet ist, werden Justieröffnungen gestanzt und die Trägerschicht abgelöst. Die Stifte 26A und 26B sind bündig mit der Oberseite der resultierenden Rohschicht 22, wie in den Fig. 2A und 2A' gezeigt.

Schritt 4

Die Oberfläche der Rohschicht und die frei liegenden Stifte werden von überschüssigem Rohschichtmaterial gereinigt.

Schritt 5

Die Rohschichten werden dann unter Verwendung der Justieröffnungen zueinander justiert aufeinandergeschichtet. Die aufeinandergeschichtete Anordnung ist schematisch in Fig. 2B dargestellt, in der massive Metallstifte 26A und 26B gezeigt sind. Die dünne Schicht 20 (d. h. Fig. 2A) ist zwischen den dünnen Schichten 30 und 40 schichtweise angeordnet. Die Stifte 26A oder 26B grenzen an die Unterseite des planaren Musters 46. Auf dem unteren Niveau stellen Stifte 36A eine Verbindung mit dem planaren Muster 26 des mittleren Niveaus 28 her.
Die vorerwähnten Figuren sind schematisch, um das Prinzip der Zwischenschicht-Verbindung zu erläutern. Wenn zum Beispiel eine Verbindung zwischen zwei oder mehr nicht aneinander angrenzenden dünnen Schichten gewünscht wäre, würde eine Kontaktstelle aufgebracht und ein Stift darauf abgeschieden. Die Kontaktstelle würde eine ausreichende Fläche und eine ausreichende Haftung aufweisen, so daß sie ihre Lage beibehält, wenn die Trägerschicht abgelöst wird.

Schritt 6

Schritt 6 ist der gleiche wie Schritt 8 von Beispiel I. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Legierung auf den Spitzen der Stifte nun schmilzt, um den Stift mit der angrenzenden Metallisierung der nächsten benachbarten dünnen Schicht zu verschmelzen, anstatt die Zwischenschicht- Verbindung durch das gesinterte Metall in den Durchkontaktierungen zu bewirken. Dies erlaubt eine gewisse Z-Schrumpfung. Der Stift mit einer Legierungsspitze ist in Fig. 2A' mit dem Bezugszeichen 26B gezeigt.
Mit den vorerwähnten Schritten in den beiden Beispielen I und II können die auf der Trägerschicht abgeschiedenen, planaren, massiven Metallmuster kleinere, enger beabstandete Leiter aufweisen und somit die Anzahl der dünnen Schichten reduzieren, die notwendig sind, um die dichter gepackten Chips zu verbinden und mehr Chips pro Modul untereinander zu verbinden. Die Verhinderung von Schrumpfung und Durchbiegen während des Sinterns mittels der Sandwich-Technik schützt die Metallmuster vor Verzerrung und erhält ihre Geometrie, wie sie aufgebracht wurde. Es sind keine wesentlichen geometrischen Änderungen des Metalls erwünscht, daher müssen das zur Bildung eines speziellen Bausteins gewählte Metall und die Keramik so gewählt werden, daß das Metall Keramiksintertemperaturen ohne Verdampfung oder Verformung standhalten kann. Die sich daraus ergebenden massiven Leiter sind merklich nicht-porös und homogen und bewahren somit die Volumeneigenschaften der verwendeten Metalleiter (d. h. höherer spezifischer Widerstand als Kupferpasteleiter). Die Fähigkeiten hinsichtlich X-Y-Schrumpfungsfreiheit erlauben, daß die Keramik und die massiven Metalleiter ohne Verzerrung der massiven Metallmuster oder der Keramik verdichtet werden.
Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit deren bevorzugter Ausführungsform offenbart wurde, sollte ersichtlich sein, daß andere Ausführungsformen möglich sind, die im Schutzbereich der Erfindung, wie sie durch die folgenden Patentansprüche definiert ist, liegen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Mehrschichtsubstrats mit freiliegenden und inneren massiven, nicht-porösen, homogenen Metalleitern zum Anbringen und Verbinden einer Mehrzahl von Halbleiterchips, das die folgenden Schritte umfaßt

Aufbringen einer Mehrzahl von Mustern aus massiven, nicht-porösen, homogenen Metalleitern auf Trägerschichten;

Übertragen jedes der Mehrzahl von Mustern auf eine jeweilige Rohschicht eines ungebrannten Keramikmaterials, wobei die Rohschichten verbindende Durchkontaktierungen zwischen Ebenen enthalten;

Laminieren der Rohschichten in zueinander justierter Lage; und

Sintern der Rohschichten bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der massiven Metalleiter, jedoch hoch genug, um die Rohschichten zu verdichten, während gleichzeitig die laminierten Rohschichten an lateraler Schrumpfung und transversaler, nicht-planarer Verformung durch schichtenweise Anordnung der laminierten Rohschichten zwischen zwei porösen Druckplatten mit einer höheren Sintertemperatur als jener der Rohschichten und durch Anlegen einer Druckkraft an die Druckplatten sowie an einer Ausdehnung aufgrund des hiervon bewirkten Drucks zwischen den Druckplatten mittels einer ringförmig umschließenden Anordnung gehindert werden, welche einen Hohlraum mit den lateralen Abmessungen des Mehrschichtsubstrats nach dem Brennen entsprechenden Abmessungen bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rohschichten aus einem ungebrannten Glaskeramikmaterial und einem Bindemittel und die Druckplatten aus einer ungebrannten Keramik mit einer höheren Sintertemperatur als jener der Glaskeramik gefertigt werden, wobei die Druckplatten aus einem porösen Aluminiumoxid-Keramikmaterial bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Rohschichten aus Glaskeramikmaterial mit einer Sintertemperatur unter 1000ºC bestehen und die Metalleiter einen Schmelzpunkt über 1000ºC aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die verbindenden Durchkontaktierungen zwischen Ebenen durch Stanzen von Kontaktlöchern in die Rohschichten und deren Füllen mit einer leitenden Metallpaste gebildet werden, die bei einer mit der Sintertemperatur des Glaskeramikmaterials kompatiblen Temperatur sinterbar ist, und wobei der Schritt des Übertragens der Leitermuster auf die Rohschichten aus dem Überdecken der an den Trägerschichten angebrachten Muster mit jeweiligen Rohschichten, dem Zusammendrücken der Trägerschichten und der Rohschichten, um die Leiter auf die Rohschichten zu bonden, und aus dem Ablösen der Trägerschichten besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die verbindenden Durchkontaktierungen zwischen Ebenen durch eine zusätzliche Abscheidung von Metallstiften in ausgewählten Bereichen des Leitermusters gebildet werden und wobei der Schritt des Übertragens der Leitermuster auf die Rohschichten aus dem Gießen einer Glaskeramikemulsion über die Leitermuster bis zur Höhe der Stifte, dem Trocknen der Emulsion und dem Ablösen der Trägerschichten besteht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metalleiter einen spezifischen Widerstand von weniger als 2 · 10&supmin;&sup6; Ohm cm aufweisen und das Metall aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Kupfer, Silber, Gold und Legierungen aus Silber und Kupfer besteht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das freiliegende Metallmuster mit Kontaktstellen versehen ist, die Muster aufweisen, welche komplementär zu den freiliegenden Kontaktstellen von daran leitend anzubringenden Halbleiterchips sind, und wobei das innere Muster planare Muster mit einer Mehrzahl von einzelnen, voneinander beabstandeten, linearen Leitern umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die linearen Leiter eine Breite im Bereich von 12,5 Mikrometer bis 100 Mikrometer und einen Zwischenleiterabstand im Bereich von 25 Mikrometer bis 400 Mikrometer aufweisen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die linearen Leiter eine Breite im Bereich von 2 Mikrometer bis 10 Mikrometer aufweisen.