NO813626L

NO813626L - Fremgangsmaate ved fremstilling av en flerlags keramisk modul for anvendelse i forbindelse med integrerte kretser

Info

Publication number: NO813626L
Application number: NO813626A
Authority: NO
Inventors: Frank C Bakermans; Lee Roger Conrad
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1980-10-28
Filing date: 1981-10-27
Publication date: 1982-04-29
Also published as: ES506657A0; US4345955A; DE3173737D1; CA1167979A; EP0050903B1; BR8106873A; DK474181A; ES8206916A1; EP0050903A1

Description

Teknikkens stand

Bærere for integrerte kretser er hittil blitt laget ved å fremstille plater av flere lag av keramisk materiale og ved å skjære disse plater i 2,54 - 5,0 cm store kvadrater. Kvadratene blir derefter stanset med en hullpresse for å frem-bringe de nødvendige spor og på linje med hverandre anordnede hull for anvendelse ved fremstilling av stabler av keramiske moduler bygget opp i flere lag (MLC). Ledende pastaer blir derefter påført på hver keramisk plate, og platene anbringes ovenpå hverandre, lamineres ti\. hverandre og sintres. Problemer har oppstått på grunn av brikkebærere som har

sprukket, en ukorrekt påføring av pastalag mellom de keramiske plater, dårlig kontroll med kretsmønsterne og dårlig kontroll med plasseringen av de stillingsbestemmende spor. Det er ikke uvanlig at opptil 70% av de keramiske plater blir ødelagt på grunn av disse problemer.

Det er nu ifølge oppfinnelsen blitt utviklet en fremgangsmåte for fremstilling av MLC-bærermoduler med nedsatt sprekkdannelse og god kontroll med. lagstablingén, påføringen av pastaen, kretsmønsterne og plasseringen av de stillingsbestemmende spor.

Kortfattet beskrivelse av oppfinnelsen

Utviklingen av avansert teknologi for fremstilling av keramiske legemer, som beskrevet i US patentskrift 4 197 118, har gjort det mulig å fremstille MLC-moduler med ny form og med høyere kretsdensiteter. Det har nu vist seg at former fremstilt under anvendelse av standard formfremstillings-metoder kan anvendes for å danne keramiske lag. Disse lag kan ha på forhånd uttatte fordypede spor og stillingsanbring-elseshull som gjør det mulig å oppnå et mer konsentrert ledende mønster på hvert lag. De keramiske lag kan stables på hverandre og lamineres under dannelse av en MLC-modul efter at sporene er blitt metallisert med en ledende pasta i overensstemmelse med standard metoder, som silketrykk, sprøytebelegning, neddyppingsbelegning eller belegning ved påpensling, skraperbladpåføring eller avsetning fra dampfase. Flerlagsmodulen derefter sintret for fremstilling av det endelige MLC-produkt som er egnet for tilkobling til integrerte kretser.

Beskrivelse av tegningene

Av tegningene viser

i Fig. 1 et avdekket, utspilt bilde av en fjerdedel av en MLC-modul laget i overensstemmelse med den foreliggende fremgangsmåte, Fig. 2 et oppriss tatt gjennom en side av MLC-modulen,

Fig. 3 et tverrsnitt gjennom en keramisk modul med

4 lag,

Fig. 4 et riss sett ovenfra av former anvendt for fremstilling av keramiske lag, Fig. 5 en perspektivskisse som viser stablede, keramiske lag som danner en MLC-bærer som inneholder to brikker, og Fig. 6 et oppriss som viser kantene og stiftene i en form for fremstilling av de ledende spor og stillingsbestemmende hull.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

En keramisk blanding som lar seg sprøytestøpe, fremstilles ved å blande 60 90 vekt% partikler med en diameter av 0,2 - 4^um fra gruppen<Al>2<0>3, BeO, steatit, mullit, ba.riumtitanat og andre partikkelformige keramiske forbindelser, som beskrevet i US patentskrift 3 991 029, med 10 - 40 vekt% bindemidler, som polyethylen eller carnaubavoks i blanding med en organisk olje fra levende plantematerialer, som soyaolje eller linfrøolje, ved en temperatur over smeltepunktet for polyethylenet eller carnaubavoksen.

Den erholdte blanding injiseres i former 10 som vist på fig. 4, via et innløp 12. Formene inneholder opphøyde kanter 14 og stifter 16 og har dessuten en flat overflate 18. Dessuten har formen stillingsreguleringsknapper 20. En form 10 som inneholder blandingen av partikkelformig materiale og bindemiddel, avkjøles til en temperatur under binde-middelsmeltepunktét, . og det erholdte "rålegeme" fjernes fra formen.

Formenes nøyaktige størrelse og derfor den nøyaktige størrelse for det erholdte "rålegeme" vil variere i overensstemmelse med den beregnede sluttstørrelse for det keramiske lag. Formen kan være 15 - .20% større enn det keramiske lag for å kompensere for en nøyaktig beregnet krympning. Et kvadrat på 2,5 til 5 cm blir vanligvis anvendt for hvert lag i en MLC-modul. Hver form vil være tilstrekkelig dyp til at det kan lages keramiske lag med én tykkelse av 0,2 - 0,5 mm. På fig. 6 er den opphøyde del 14 for formen 10 og.stiften 16 Vist i form av et oppriss. Sporene og veiene frembrakt av hhv. den opphøyde kant 14 og stiften 16 gir mulighet for en øket densitet av elektrisk ledende baner gjennom hvert lag av keramisk materiale. Den opphøyde del 14 har en bredde av ca. 0,10 mm,, og avstanden mellom hver opphøyd.del 14 er minst 0,10 mm. Lengden er avhengig av den kontaktavstand som skal dekkes. Stiftene 16 har en diameter av 0,05 -

0,15 mm, fortrinnsvis ca. 0,10 mm.

Ledende pastaer som inneholder ildfaste metaller, som molybden eller wolfram, ikke-edelmetaller, som kobber eller nikke], edelmetaller som gull, palladium, sølv, platina eller legeringer derav, blir derefter påført på de keramiske lag for dannelse av et trådmønster i overensstemmelse med et på forhånd bestemt system for hvert keramisk lag. Valget ay den ledende pasta er avhengig av brenntemperaturen for det anvendte keramiske materiale. Det er av viktighet å merke seg at lederen i. pastaen kan sintre, men at den ikke må smelte ved eller under brenntemperaturen for det keramiske materiale. Som et eksempel kan nevnes at molybden, wolfram eller platina kan anvendes i forbindelse med . keramiske materialer på basis av aluminiumoxyd og at gull, sølv, kobber eller nikkel kan anvendes i forbindelse med keramiske materialer på basis av bariumtitanat.

Metoder for påføringen av pastaen kan omfatte silketrykking, sprøytebelegnirig, neddyppingsbelegning eller belegning.ved påpensling, avsetning fra dampfase eller belegning ved hjelp av en skraperkniv. Ytterligere pastamatefialer omfatter tilsetningsmidler for disse som beskrevet i US patentskrift 4 101 710.

Det foretrekkes å påføre tykke.filmer ved hjelp av silketrykking. Når silketrykkprosessen anvendes, blir pastaen påført på de keramiske lag gjennom metallmasker direkte inn i sporene 32 og ned gjennom veiene eller fallene .30, som vist på fig. 1, 2 og 3.

Stabler av de keramiske lag med de nødvendige utform-ninger for ledere, lag-til-lag-forbindelser og referanse-og kraftplan lamineres sammen under dannelse av enkeltmoduler.

BAndemidlet av organisk olje eller voks strippes fra

de keramiske lag i "rålegemet" med et oppløsningsmiddel, som cumen, triklorethylen eller Freon TF, efter at de ledende pastaer er blitt påført og lagene er blitt laminert til hverandre. Strippeprosessen for bindemidlet er beskrevet, i US patentskrift 4 197 118. Denne omfatter at "rålegemet" først utsettes for oppløsningsmidlet i gassformig tilstand og derefter X flytende tilstand.

De keramiske "rå"-lag brennes ved 900 - 1550°C for å sintre det keramiske materiale. Det foretrekkes når et keramisk materiale av aluminiumoxyd og en tykk filmpasta av wolfram anvendes, å brenne modulen ved ca. 1550°C.

Metalliserte puter for påfølgende festing til integrerte kretser kan påføres før. eller efter sintringen med det riktige valg for metalliseringen. Ildfaste metaller, som. wolfram eller molybden, krever plettering for at de skal kunne gjøres forlikelige med integrerte kretser.

Modulene kan inneholde opptil 23 eller flere keramiske lag og så mange integrerte kretser som plassen på hver modul tillater.

Den ferdige modul med halvledere 26 anbrakt på plass er. vist på fig. 5. Halylederne befinner seg via tråder 28 i elektrisk kontakt med de ledende baner 32 i hvert lag 24 av modulen 22.

X de nedenstående eksempler er alle prosenter basert på vekt.

Eksempel 1

En partikkelblanding fremstilles under anvendelse av aluminiumoxyd (70%) og carnaubavoks (30%) som bindemiddel. Aluminiumoxydet har en gjennomsnittlig partikkelstørrelse av 0,6^um og et partikkelstørrelseområde fra 3^um til 0,2^um. Materialene blandes sammen ved en temperatur over smeltepunktet for bindemidlet. Bindemidlet får. derefter avkjøle og utgjør da råmaterialet for formningsprosessen. Blandingen blir derefter oppvarmet og formet i en form som vist på

fig. 4 under trykk til den ønskede lagform. Laget blir derefter herdet ved avkjøling under dannelse av rålegemelaget.

Rålegemeplatene blir derefter metallisert med en ledende pasta inneholdende wolfram ved hjelp av silketrykk-metoden.'De métalliserte råark stables på hverandre i flere lag under anvendelse av de posisjonsbestemmende hull. 20. De mange lag lamineres sammen ved 75°C under et trykk av ca.

25 MPa.

Det laminerte rålegeme anbringes i en beholder og oppvarmes langsomt til smeltepunktet (85°C) for carnaubavoksen. Damper av cumenoppløsningsmiddel innføres i beholderen for

å strippe av carnaubavoksbindemidlet. Oppløsniirgsmidlet kommer inn i kammeret med en hastighet som er tilstrekkelig lav til at den svellevirkning av bindemidlet som forårsakes av oppløsningsmi.dlet, ikke vil være tilstrekkelig til å be-virke sprekkdannelse eller brudd i rålegemet. Lagformen bestemmer tiden for gassbehandlingen.

Når det gassformlge bindemiddel er blitt fjernet, anbringes rålegemet i en væskeoppløsning av det samme oppløs-ningsmiddel ved en temperatur over bindemidlets smeltepunkt, hvorved resten av bindemidlet fjernes. Det vil forståes at endel bindemiddel er tilbake og gir styrke for det laminerte rålegeme.

Resten av bindemidlet og eventuelt oppløsningsmiddel fjernes ved lavtemperaturbrenning. Det laminerte, rålegeme anbringes i en ovn, og temperaturen økes langsomt til et punkt som er litt høyere enn kokepunktet for bindemidlet. Temperaturen blir derefter øket til 100°C i 1 time for å fjerne eventuelt vann som kan ha kommet inn i rålegemet. Temperaturen økes derefter til 350°C i en fuktig, spaltet ammoniakkatmosfære i 3 døgn for å brenne ut alt gjenværende bindemiddel.. Prøven blir derefter brent i en ovn i en atmosfære av spaltet ammoniakk ved 1540°C i 1 time og blir deretter avkjølt. Opp- varnings- og avkjølingssyklusen tar 24 timer, hvorav 18 timer er nødvendige for å nå sintringstemperaturen på 1540°C. Den erholdte modul har utmerkede dimensjoner og elektriske kretsegenskaper.

Eksempel 2

Trinnene ifølge eksempel 1 gjentaes, men med den for-andring at det anvendes et bindemiddelsystem av soyaolje og carnaubavoks. Utlutningsmidlet er Freon TF. Rålegemet . metalliseres, brennes langsomt og brennes som.beskrevet i eksempel 1 for fremstilling av en MLC-modul.

Eksempel 3

Trinnene ifølge eksempel 2 gjentaes under anvendelse av trikiorethylen for å. utlute carnaubavoksbindemidlet og for tilveiebringelse av et rålegeme som er i det vesentlige fritt for bindemiddel. Avbrenningstrinnet sløyfes, og efter brenn-ing som beskrevet ovenfor, fåes en MLC-modul.

Eksempler 4 10

Eksempel 1 gjentaes under anvendelse av partikkel-fojrmige blandinger,.som følger:

Eksempel 11

Det partikkelformige materiale og bindemidlet ifølge eksempel 1 fremstilles som beskrevet i dette eksempel, og sprøytestøpte lag metalliseres og trykklamineres til hverandre. Laminatet oppvarmes langsomt til 400 oC i en fuktig, spaltet ammoniakkatmosfære og holdes ved denne temperatur i opptil 12 timer for dannelse av en skive. Temperaturen blir derefter øket til 1540°C i en atmosfære av spaltet ammoniakk for å sintre partiklene. En MLC-modul fåes.

Eksempel 12

i Trinnene ifølge eksempel 1 gjentaes, men med den for-andring at rålegemet metalliseres ved påføring med en avskraperkniv.. En MLC-modul fåes..

Eksempel 13

Trinnene ifølge eksempel 1 gjentaes, men med den for-skjell at 15% polyethylenbindemiddel med en smelteindeks av 14<p>g 15% soyaolje som mykningsmiddel anvendes istedenfor carnaubavoksen. Den samme oppvarmingstemperatur av 85°C anvendes i forbindelse med damper av cumenoppløsningsmiddel for å strippe av soyaoljen. Den erholdte modul har utmerkede dimensjoner og elektriske kretsegenskaper.

Claims

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av en keramisk modul med flere lag for anvendelse i forbindelse med integrerte kretser, karakterisert ved at (a) et ikke-ledende,. partikkelformig materiale som er egnet for fremstilling av et keramisk legeme, blandes med et bindemiddel ved en' temperatur over bindemidlets smeltepunkt, og blandingen injiseres i en form som inneholder på forhånd bestemte opp-høyde kanter, og oppvarmes og settes under trykk i formen, hvorefter bindemidlet bringes til å herde ved avkjøling under dannelse av et keramisk "rålegeme <n-> lag, (b) en ledende pasta påføres på det fremstilte keramiske lag, (c) to eller flere av disse lag presses sammen under dannelse av en modul, (d) rålegemet utsettes for en damp av et oppløsnings-middel for bindemidlet og derefter for et bad av et vaeskeformig oppløsningsmiddel for bindemidlet og holdt ved en temperatur over bindemidlets smeltepunkt, og (e) modulen sintres.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som det ikke-ledende, partikkelformige materiale anvendes 60 - 90 vekt% aluminiumoxyd og at bindemidlet anvendes i en mengde av 10 - 40 vekt%.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det anvendes en ledende pasta som inneholder wolfram og som ved hjelp av silketrykk påføres i spor og fall i det keramiske lag.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved . at det anvendes en ledende pasta som inneholder molybden og som påføres ved silketrykk i spor og fall i det keramiske lag.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som keramisk materiale anvendes bariumtitanat og at det anvendes en ledende pasta som inneholder gull og som ved hjelp av silketrykk på-føres i spor og fall i det keramiske lag.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at cumen anvendes som oppløsningsmiddel.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den ledende pasta på-føres ved hjelp av en avskraperkniv.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det.som bindemiddel anvendes en blanding av polyethylen med en smelteindeks av 14 og en organisk olje fra levende plantematerialer, og at det anvendes en ledende pasta som inneholder wolfram eller molybden.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det som bindemiddel anvendes en blanding av carnaubavoks og en organisk olje fra levende plantematerialer og at det anvendes en ledende pasta som Inneholder wolfram eller molybden.

10. Fremgangsmåte ved fremstilling av en\keramisk modul med flere lag for.anvendelse i forbindelse med integrerte kretser, karakterisert ved at (a) et ikke-ledende, partikkelformig materiale som er egnet for fremstilling av.et keramisk legeme, blandes med et bindemiddel ved en temperatur over bindemidlets smeltepunkt, og blandingen injiseres i en form som inneholder på forhånd bestemte opp-høyde kanter, og oppvarmes og settes under trykk i formen, hvorefter bindemidlet bringes til å herde i ved avkjøling under dannelse av et keramisk ' "rålegeme"-lag/ (b) en ledende pasta påføres på det dannede keramiske lag, (c) to eller flere av lagene presses sammen under dann-i else av en modul, (d) rålegemet utsettes for en•temperatur og i en tid som er tilstrekkelig til å brenne ut bindemidlet, og (e) modulen sintres.