專利名稱:多層和管腳柵格陳列的制作方法
本發(fā)明可以有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但是，它尤其適合于形成陶瓷結(jié)構(gòu)，這種陶瓷結(jié)構(gòu)是由包有熔融玻璃粘合料的陶瓷顆粒粉漿制成的，下面將就此作詳細(xì)的描述。特別是，這種陶瓷結(jié)構(gòu)可以做成具有高度可重復(fù)性和高精度公差的錯綜復(fù)雜的形狀。這種結(jié)構(gòu)適用于電子元件，如果與電路相結(jié)合，即可形成多層結(jié)構(gòu)，例如管腳柵格陣列。
管腳柵格陣列一般很小，是具有層間傳導(dǎo)電路的多層的96%氧化鋁板材。管腳柵格陣列能盡量減小大規(guī)模集成電路所需的尺寸，并且允許使用比常規(guī)方形封裝更多的管腳數(shù)目。除與電路的電接觸是將管腳釬焊到管殼邊緣之外，邊緣釬焊管殼在構(gòu)造上與管腳柵格陣列相似。這兩種管殼設(shè)計(jì)都提供了堅(jiān)固、可靠、氣密的封裝，并且比CERDIPs(陶瓷雙列直插組件)優(yōu)越，這是由于它們不取決于引線的玻璃密封。
常規(guī)的管腳柵格陣列一般至少包含三層由帶鑄工藝制成的氧化鋁層。將鎢或者鉬-錳粉末絲網(wǎng)印刷到未燒結(jié)的氧化鋁帶上(96%Al2O3)形成層間電路。通過未燒結(jié)的氧化鋁帶上的約為5～10mil(密耳)的小孔實(shí)現(xiàn)層間電路的互連?；ミB或通孔導(dǎo)體也可由鎢或鉬-錳粉末形成。多層氧化鋁帶和導(dǎo)體通路均在約為1550～1600℃的范圍內(nèi)一起燒結(jié)。這樣從氧化鋁帶中除去聚合粘合劑，將96%Al2O3燒結(jié)成塊，并且產(chǎn)生了電流載體的局部燒結(jié)。其后，把鍍金的合金管腳釬焊到通孔導(dǎo)體上。露出的導(dǎo)體可以用無電極工藝鍍上一層鎳。
應(yīng)用以往的工藝制造管腳柵格陣列時，存在一些高代價的技術(shù)問題。最嚴(yán)重的問題是在將氧化鋁帶進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)時，氧化鋁帶的體積收縮很厲害。體積的收縮高達(dá)40%之多，導(dǎo)至了約20%左右的線收縮。這樣，在確定通孔和管腳的相對位置以及維持通孔電接觸上產(chǎn)生了一些問題。在某些情況下，收縮嚴(yán)重得使導(dǎo)電電路和橫向電路不能與管腳相連。用絲網(wǎng)印刷的常規(guī)方法將層間電路印在氧化鋁帶上，該電路比較致密而且燒結(jié)得很好。然而，可以用機(jī)械方法插入的通孔接觸可能很松散，并且形成了很差的顆粒與顆粒的接觸。
以前，內(nèi)部夾著電路圖形的玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)已在下列專利中得到公開美國專利No.4301324(Kumar等);美國專利No.4313026(Yamada等);英國專利No.1232621(以及英國專利No.1349671。這些專利中的每一件與本發(fā)明都有具體的不同，它們當(dāng)中都沒講到將一種包有熔融玻璃顆粒的粘合料中的固體氧化鋁顆粒粉漿壓實(shí)，以形成任何所需形狀的陶瓷電介質(zhì)材料。
其各層由本發(fā)明的方法所制作的多層氧化鋁電路板，特別適用于制造一般的管腳柵格陣列，這已由Jerry Lyman以“封裝”為題，在1981年12月29日的“Electronics”Vol.54，No.26中作了披露。
本發(fā)明要解決的一個問題是提供一種一步工藝方法來形成復(fù)雜的陶瓷基片。進(jìn)一步的問題是選擇一種材料來構(gòu)成陶瓷基片，以便能把熔點(diǎn)較低而高電導(dǎo)的電路材料安放在由該材料形成的一疊相鄰的結(jié)構(gòu)之間，并經(jīng)得起所需要的燒結(jié)溫度。
本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是提供了一種由包有熔融玻璃粘合料的陶瓷顆粒粉漿形成玻璃陶瓷基片的工藝過程，這可以消除所述的現(xiàn)有工藝中的一種或多種局限性及不足。
本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是提供了一種比較廉價的工藝過程，用來構(gòu)成迭層基片之間夾有電路圖形的多層玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是提供了一個一步工藝，來制造選擇好幾何形狀的玻璃陶瓷。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點(diǎn)是鑄出帶有通孔的玻璃陶瓷基片。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成一個多層的具有互連線的玻璃陶瓷電路組件，其中，互連線在將它們與電路薄片釬焊時為半固體狀態(tài)。
因此，這里提供了一種構(gòu)成玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)或基片的工藝。每一玻璃陶瓷基片都由熔融玻璃顆粒和陶瓷顆粒粉漿形成，這些顆粒被放入型腔，在較低的壓力下壓實(shí)并冷卻使熔融玻璃固化。接著，至少在玻璃陶瓷基片的一個表面上形成電路。然后，將至少兩個玻璃陶瓷基片重疊，當(dāng)中夾有電路。再將重疊的基片加熱，直至每一基片的玻璃軟化并與相鄰基片中軟化的玻璃相粘合，形成多層電路結(jié)構(gòu)。在另一個實(shí)施例中，在把互連線與電路薄片釬焊時，它們處于半固體狀態(tài)。
現(xiàn)借助于附圖中的最佳實(shí)施例來闡述本發(fā)明及其進(jìn)一步的發(fā)揮。
圖1為按本發(fā)明的方法連續(xù)澆鑄玻璃陶瓷混合料裝置的側(cè)視剖面圖。
圖2是按本發(fā)明的方法澆鑄玻璃陶瓷混合料的分立部分裝置的局部剖面簡圖。
圖3為具有按本發(fā)明的方法制成的玻璃陶瓷基座和管帽的半導(dǎo)體管殼的側(cè)視圖。
圖4A-4E說明了按本發(fā)明形成多層玻璃陶瓷電路結(jié)構(gòu)的一系列工藝步驟。
圖5A-5E也說明了按本發(fā)明形成多層玻璃陶瓷電路結(jié)構(gòu)的一系列工藝步驟。
參照圖1，熔融固體混合料或粉漿10被裝在容器12中。借助于容器12周圍的感應(yīng)線圈14，能方便地把粉漿10加熱到液體狀態(tài)，或維持或超過玻璃的熔融溫度。容器12包含一個入口16和一個出口18。提供一個攪拌區(qū)域20，以將陶瓷粉末22與熔融玻璃24相混合。玻璃粉末或顆粒與陶瓷粉末或顆粒的混合料可從容器26通過入口添加到容器12的攪拌區(qū)域之中。維持?jǐn)嚢鑵^(qū)域的溫度，使得當(dāng)粉末或顆粒從容器26中出來混合成粉漿10時，玻璃熔體和陶瓷顆粒仍保持它們的固體狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所用的裝置與形成粉漿澆鑄材料并將其澆鑄和鍛造的設(shè)備(如Flemings等人在美國專利Nos.3902544及Mehrabian等人在美國專利Nos.3951651中所公開的實(shí)例)相似。
粉漿10的混合可用任何所希望的方法來實(shí)現(xiàn)，如，在攪拌區(qū)域20提供一個螺旋推運(yùn)器28。該螺旋推運(yùn)器最好安裝在旋轉(zhuǎn)軸30上，用任意適合的方法帶動，如馬達(dá)(圖中未示出)。攪拌區(qū)域20的內(nèi)表面與螺旋推運(yùn)器28的外表面34之間的距離最好保持足夠小，以便能把高的剪切力施加于粉漿上，從而當(dāng)陶瓷顆粒均勻地與所有熔融玻璃相混合并通過攪拌區(qū)域20時，在陶瓷顆粒的周圍包上一層玻璃。由于在一定的螺旋推運(yùn)器旋轉(zhuǎn)速度下，粉漿中的剪切力誘導(dǎo)速率是攪拌區(qū)域的半徑和螺旋推運(yùn)器的半徑的函數(shù)，間隙距離將隨著攪拌區(qū)域和螺旋推運(yùn)器尺寸的變化而變化。為了誘導(dǎo)出所需的剪切速率，對于較大的螺旋推運(yùn)器和攪拌區(qū)域，可利用增加的間隙。區(qū)域20的底面36上有一開孔18，用來靠重力，或在必要時通過在入口16和出口18之間形成壓力差來方便地放出粉漿。通過提高或降低旋轉(zhuǎn)軸30，使得螺旋推運(yùn)器28的底端38能夠全部或部分裝入孔18，即可方便地控制出口孔18的有效尺寸。
粉漿10被認(rèn)為具有搖溶特性，能夠很容易地用一些技術(shù)，如壓鑄、永久模鑄造、連續(xù)澆鑄、閉合模鍛、熱壓和真空成型做成具有高精度和高等級公差的錯綜復(fù)雜的形狀。
粉漿10可由保存室40收集起來，保存室40備有感應(yīng)加熱線圈42這樣的加熱裝置。保存室可用來將包有熔融玻璃粘合料的陶瓷顆粒粉漿傳送到所要求的任何場所，并按要求澆鑄。然而，認(rèn)為將粉漿直接注入澆鑄裝置更有利，這樣可以使氧化鋁沒有足夠的時間在玻璃中顯著溶解，正如將進(jìn)一步闡述的那樣。
參照圖2，這里示出了具有任意所需形狀的型腔48的模型結(jié)構(gòu)46。在模型結(jié)構(gòu)的一端備有一個凹孔50?；钊麑?dǎo)軌52備有開孔54，為內(nèi)室56提供通路，內(nèi)室56可以接收來自保存室40或出口18的粉漿。在活塞導(dǎo)軌的一端，加工成一個外部延長的突出部分58放在模型結(jié)構(gòu)46的凹孔50當(dāng)中。一個氣動活塞59被安置在活塞導(dǎo)軌52內(nèi)。活塞59能夠在任何所需要的時間由壓縮空氣驅(qū)動，如借助于氣缸60。驅(qū)動時，活塞59迫使粉漿進(jìn)入模型結(jié)構(gòu)46的內(nèi)部型腔48，以形成任意所需形狀的成品。如果需要的話，可將許多類似于型腔48的模型連接到活塞導(dǎo)軌52的腔內(nèi)，以便同時填滿許多模型。
適用于本發(fā)明的玻璃形成了可流動的物體，而且在溫度低于1000℃左右時，具有小于100泊左右的低粘度。最好選擇這樣的玻璃使之在約500℃～約1000℃的溫度范圍內(nèi)形成可流動的物體，500℃左右～700℃左右的溫度范圍尤為可取。認(rèn)為可從下面選出合適的玻璃硅酸鹽、硼硅酸鹽、磷酸鹽和硼硅酸鋅玻璃。最好是選用一般成份的硼硅玻璃MO-B2O3-SiO2，這里MO＝Al2O3、MgO、BaO、CaO、ZrO2、Na2O、ZnO、SrO、K2O及其混合物。玻璃的膨脹系數(shù)可以通過調(diào)節(jié)其成分或者加入適當(dāng)?shù)奶盍?如堇青石、β鋰霞石或硅酸鋯)來改變。
最好將玻璃在惰性或還原性氣體，如氮、氮-4%氫或氬，的氣氛中進(jìn)行熔燒。
最好選擇不含氧化鉛的玻璃，因?yàn)檠趸U在還原氣氛中加熱會被部分還原。玻璃中的鉛可造成短路，從而毀壞陶瓷的絕緣性能。與上述鉛的情況類似，由于氧化鉍也會部分還原，通過造成短路而降低或毀壞陶瓷的絕緣性能，所以也希望玻璃中基本上不含氧化鉍。
另一個重要的考慮是所選擇的玻璃最好是流體，以使在用所描述的方法進(jìn)行混合時足以包住或浸濕陶瓷顆粒。適用于本發(fā)明的商業(yè)性低熔點(diǎn)、無鉛硼硅玻璃的一個實(shí)例是Pemco公司制造的P-318，該公司為Mobay化學(xué)公司的一個部門，P-318的正常成份為41.9%的BaO，19.9%重量比的B2O3和38.2%的SiO2。由Pemco公司生產(chǎn)的有用的商業(yè)性玻璃的另一個實(shí)例是PlA44，它的正常成份為59.5%的ZnO、32.5%重量比的B2O3以及8%重量比的SiO2。所選擇的玻璃最好具有在約50～約100×10-7吋/吋/度的范圍內(nèi)按希望選擇的熱膨脹系數(shù)(CTE)，溫度范圍最好在約60～約80×10-7吋/吋/度。進(jìn)行配料的玻璃占玻璃陶瓷粉末混合料體積的10～30%左右，最好占混合料體積的15～30%左右。
任何熟知的陶瓷粉末都能與合乎本發(fā)明要求的玻璃粉末相混合。這些陶瓷粉末的實(shí)例包括Al2O3、ZrO2、TiO2和ZrSiO4。一般說來，陶瓷粉粒的大小最好在約2微米到約5微米之間，并且一般具有等軸形狀。
按照本發(fā)明，制作包有玻璃粘合料的陶瓷顆粒粉漿首先要將具有較低熔點(diǎn)的玻璃粉末與陶瓷粉末相混合。然后將混合料最好加熱到約500℃～約1000℃之間的一個溫度，在這個溫度下玻璃已經(jīng)熔融，而陶瓷仍然保持固定粉末形式。加熱和混合步驟可以在混合裝置12的攪拌區(qū)域20中完成。重要的是將粉漿充分混合攪拌，使得陶瓷顆粒在整個熔融玻璃粘合料中均勻分布。混合過程還應(yīng)保證陶瓷顆粒的周圍包上熔融玻璃。
由此得到的粉漿的熱膨脹系數(shù)的數(shù)值最好在40～80×10-7吋/吋/度左右。具體的CTE(熱膨脹系數(shù))最好選得與單晶硅的CTE近似，單晶硅是被用來作為半導(dǎo)體器件的襯底的，而且如下面要描述的那樣，一般附于凝固的玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)的表面。通過硅的熱膨脹系數(shù)與玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)匹配，可以基本上消除玻璃陶瓷接觸部分與硅之間由熱輻射產(chǎn)生的應(yīng)力。
粉漿混合后，最好直接注入活塞導(dǎo)軌52的開口54中。然后，用一個氣動活塞58將粉漿擠壓到型腔48中，具有搖溶特性的粉漿流動并填入模型，以形成所需形狀的結(jié)構(gòu)。熔融玻璃的低粘度使得粉漿能進(jìn)行平移運(yùn)動，以便氧化鋁顆粒能夠彼此滑動通過。因?yàn)椴Ａг谌廴跔顟B(tài)時非常容易起反應(yīng)，它將浸蝕和溶解氧化鋁，所以這一步完成得很快。隨著過程進(jìn)行下去，氧化鋁開始在玻璃中溶解，引起玻璃逐漸難溶，熔點(diǎn)升高。結(jié)果是增加了粘度，增加了的粘度再加上粉漿的冷卻，形成了更加堅(jiān)固并能方便地從模型中取出的粉漿。
最好在約為15磅/吋2(Psi)的低壓條件下將粉漿壓入型腔，壓力低于約10磅/吋2尤為可取。在型腔壁的表面上有一層普通的模型分離劑，例如氮化硼和MoS2，使得固化了的結(jié)構(gòu)很容易取出。為了使?jié)茶T件更方便地取出，可沿著界面66將模型分為兩部分62和64。使型腔48中形成的玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)能冷卻到應(yīng)變點(diǎn)之下。然后，可將其移入退火爐，在那里最后結(jié)構(gòu)要經(jīng)過一個冷卻循環(huán)，使形材不發(fā)生斷裂或變形。
本發(fā)明獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)歸于粉漿在型腔內(nèi)的可塑性。具有搖溶特性的粉漿能夠流遍整個型腔并且形成錯綜復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，如彎曲的表面、凹陷形或凸起形。形成具有高精確度和高等級公差的相似成形表面的陶瓷結(jié)構(gòu)，一般要經(jīng)過相當(dāng)困難和高成本的工序。此外，在型腔澆鑄的過程中，能在陶瓷結(jié)構(gòu)上形成小孔或小洞。例如模型的壁上可以有從一個表面，如底表面壁70上，伸延出來的一個或多個管腳68。搖溶的粉漿流到這些管腳周圍。管腳可選擇膨脹系數(shù)高于粉漿的金屬，使得隨溫度的降低和粉漿的凝固，這些管腳比陶瓷收縮得更快。從而能把陶瓷結(jié)構(gòu)從管腳上移開，這樣在固化了的玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)上得到的小孔適合于所述的電路互連線。
本發(fā)明所制造的結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施例是圖3中所示的陶瓷雙列直插組件。基管和管帽是使用本發(fā)明的工藝方法在型腔中形成的玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)?；?1和管帽73分別具有凹進(jìn)部分75和77，這在成型工藝中是很容易得到的。用下述工藝能方便地完成陶瓷雙列直插組件在基座和管帽中間放置一個引線框架79，用導(dǎo)線把引線框架連到芯片81上(芯片81可粘在基座上)，將管殼加熱，直至基座和管帽的玻璃軟化。最后，在約200psi或更低的低氣壓下將管殼的部件相互擠壓，密封在一起。
玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)72特別適用于制作在每對相鄰的玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)之間含有導(dǎo)電電路圖形的多層玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在介紹一個典型單元的制造步驟，如圖4A所示，組件起始于基片72，該基片是把上述包有熔融玻璃粘合料的陶瓷顆粒粉漿凝固而形成的。注意，通孔74的數(shù)目按需要而提供。這些孔的直徑可按需要任意選取，其典型值約5～20密耳的范圍內(nèi)。通孔的尺寸并不構(gòu)成本發(fā)明的一部分，它們可以根據(jù)需要或大些或小些。通孔74可由導(dǎo)體76填充，例如有機(jī)載體的導(dǎo)電膠和任意所需導(dǎo)電材料(諸如金、銀、鉑、鈀、銅和這些材料的合金)的顆粒。如果需要，可以將1～2%重量比的少量形成基片72所用的玻璃加到導(dǎo)電膠中，以便增加所形成的金屬導(dǎo)體和玻璃陶瓷中間的粘合強(qiáng)度。首先將此結(jié)構(gòu)燒至低于500℃的溫度，把有機(jī)載體燒掉，然后再加熱到大約500℃～約1000℃的溫度范圍，來固結(jié)金屬顆粒。由于結(jié)構(gòu)72是陶瓷一玻璃的兩相合成物，所以既使在玻璃處于融化中，結(jié)構(gòu)72仍能保持其通孔的形狀。導(dǎo)體還可以是固體導(dǎo)線或是孔壁上的鍍層，以及需要時填入的導(dǎo)體，如焊料。
參照圖4B，用絲網(wǎng)印刷的方法將兩層金屬導(dǎo)電膠78和80加到玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)72的兩個表面上，再將結(jié)構(gòu)72燒到約500℃以下的一個溫度，把有機(jī)載體燒掉。然后，將此結(jié)構(gòu)再進(jìn)一步加熱至約900℃以下的一個溫度，使所印刷的導(dǎo)體的金屬顆粒固結(jié)，以使它們具有高的導(dǎo)電性。第二個加熱過程最好在惰性氣體或還原氣氛中進(jìn)行，例如氮、氮-4%氫或氬氣。
參照圖4C，用常規(guī)的光刻工藝腐蝕所形成的導(dǎo)電層78和80，得到導(dǎo)電電路82和84。工藝過程包括將金屬層78和80的外表面涂敷一層正性光刻膠，它由光崩解型光敏樹脂形成。然后，將由不透光材料制成的規(guī)定圖形的掩模板與光刻膠接觸放置。只使光刻膠層上沒有掩模的部分被曝光。除去掩模，將膠顯影，除去膠的曝光部分，并用相繼的腐蝕工藝形成電路圖形。腐蝕可由任意常規(guī)的溶液完成，例如，碘化鉀或FeCl3/HCl銅腐蝕劑?？砂创朔▽M件進(jìn)行幾次涂光刻膠和再腐蝕，就產(chǎn)生出所需的圖形和結(jié)構(gòu)。
然后，參照圖4D，用與上述結(jié)構(gòu)72同樣的工藝方法形成的第二個玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)86放置或重疊在結(jié)構(gòu)72的上表面88上，將組件加熱至每個結(jié)構(gòu)中的玻璃都能軟化的溫度，然后，施加一個壓力把結(jié)構(gòu)72向結(jié)構(gòu)86上擠壓，在兩個結(jié)構(gòu)玻璃之間引起軟化粘合。認(rèn)為小于約300psi的壓力適宜于完成這一步驟。
此后，可重復(fù)進(jìn)行上述如圖4D所示的生產(chǎn)多層混合電路組件90的步驟，來形成任意數(shù)量的多層結(jié)構(gòu)。最后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)90的優(yōu)越之處在于它不受從固結(jié)溫度向室溫冷卻時玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)所遭受的典型的熱收縮作用的影響。假定玻璃陶瓷的平均可膨脹性約為70×107吋/吋/度，線收縮率約為0.35%，比較常規(guī)帶鑄工藝形成的結(jié)構(gòu)，其線收縮率約為7%。所以最后產(chǎn)生的混合電路組件是可重復(fù)再生產(chǎn)的。導(dǎo)電層與電互連線之間的電路保持著通孔接觸。例如結(jié)構(gòu)86上通孔92和94中的導(dǎo)體與陶瓷結(jié)構(gòu)72上形成的電路96和98相連接。
參照圖4E，圖中有一個附加的結(jié)構(gòu)層100，它包括許多導(dǎo)體，這些導(dǎo)體填充在通孔102中并與結(jié)構(gòu)72的表面104上的電路相連接。如上所述，通孔102與導(dǎo)電電路間的對準(zhǔn)可以得到控制，使之基本上消除了通孔的電接觸問題。最后用任意的方法裝上導(dǎo)電管腳106，例如釬焊到導(dǎo)體上或至連孔102上形成管腳柵格陣列結(jié)構(gòu)。
特別用于本發(fā)明的另一個技術(shù)是在玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)之間安排一層成形金屬薄片，型板可由任何所需的技術(shù)切成薄片，例如，用常規(guī)的干膜光刻技術(shù)進(jìn)行腐蝕或沖壓。然后將成形的一層薄片放置在兩層玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)之間，玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)上具有填充了導(dǎo)電材料的通孔。把與成形薄片交替排列的玻璃陶瓷的疊層組件加熱到玻璃軟化的溫度。然后，疊層的組件承受小于300psi左右的層壓成型壓力，一片軟化了的結(jié)構(gòu)中的玻璃粘著在另一片結(jié)構(gòu)的玻璃上。玻璃流到薄片切掉的部分。薄片最好是銅或銅合金，但也可以選擇任何其它適合于形成所述導(dǎo)體的金屬或合金。
參照圖5A-5F，示出了一系列裝配多層電路組件的工藝步驟，這個多層電路組件備有復(fù)雜玻璃陶瓷基片、電路薄片以及將電路薄片的各層互連的獨(dú)特技術(shù)。圖5A為與上述結(jié)構(gòu)72的情況基本相同的玻璃陶瓷基片110的剖面圖，其作為組件的最初結(jié)構(gòu)，基片上有任意所需數(shù)目的通孔112，通孔112是在澆鑄過程中形成的，或者在澆鑄后用常規(guī)的方法形成，例如鉆孔或沖孔。電路薄片層114和115可以粘合到基片的兩個表面116和118上。如圖5B和5C所示。通孔112被導(dǎo)線120所填充，如下面要描述的那樣。
電路薄片層114和115最好是由銅或電導(dǎo)率高于約60%IACS(相對標(biāo)準(zhǔn)退火銅線電導(dǎo)率的百分比)的銅合金構(gòu)成。這種高電導(dǎo)的銅合金，其合金添加物最好少于合金的10%左右，而其余部分均為銅。被認(rèn)為適合本發(fā)明的銅合金的例子有CDA 15100、CDA12200、CDA10200和CDA19400。所選擇的銅合金材料最好是脫氧的片材，例如，一盎司薄片。采用脫氧的銅合金是特別重要的，以便防止薄片內(nèi)或陶瓷-玻璃界面上起泡。如下面要描述的那樣。
屬于本發(fā)明的另一個內(nèi)容是銅層114和115選自無氧銅，典型的無氧銅是電解銅，它基本上不含氧化亞銅，生產(chǎn)中也不用剩余金屬或類金屬的脫氧劑。一般來說，無氧銅的成份至少有99.95%的銅，其中包括作為銅看待的銀。無氧銅的例子有CDA10100、CDA10200、CDA10400、CDA10500和CDA10700。
粘合最好在還原性氣體或惰性氣體中進(jìn)行。例如，將組件置于惰性或還原氣體的氣氛中燒結(jié)，如氮、氮-4%氫或氬。用脫氧或無氧的銅箔進(jìn)行粘合，基本上防止了薄片內(nèi)或者玻璃-陶瓷界面上的起泡現(xiàn)象。
如圖5B所示，最好將脫氧或無氧銅箔114緊貼著基片110的下表面116。把長度基本上等于通孔112長度的金屬導(dǎo)線120插進(jìn)通孔。這一步驟可以如此完成將導(dǎo)線插入通孔，然后在導(dǎo)線與薄片電層114形成電接觸時，將導(dǎo)線與基片的上表面118基本上切平。為了確保在制作過程中，導(dǎo)線能夠插入通孔，最好使導(dǎo)線的直徑大體上小于通孔的直徑。例如若通孔直徑約為5密耳，導(dǎo)線的直徑可以為3～4密耳左右。這些尺寸僅作為例子，假若將導(dǎo)線與安置在通孔兩端的薄片層114和115相接觸或焊接，導(dǎo)線的直徑可以比照通孔的直徑任意選取。
如圖5C所示，下一步是要將薄片層115安置在基片上表面118上。將組件加熱到玻璃軟化的溫度(一般約600℃～約1000℃左右)，可使薄片層114和115與基片粘合。然后使組件122承受小于約300psi的層壓成型壓力，來增強(qiáng)玻璃陶瓷基片與薄片層的附著力。
最好從具有高延展性的合金中選擇導(dǎo)線120，這種合金最好具有60%IACS，它可以在將玻璃與薄片層和基片相粘合所需要的溫度下(約600℃～約1000℃)為半固體狀態(tài)，其中液體的體積含百分之二到百分之四十左右。最好是含百分之五到百分之二十五左右體積的液體。液相金屬導(dǎo)線將導(dǎo)線與薄片層114和115釬焊起來。重要的是導(dǎo)線不會在通孔中塌落到導(dǎo)線不能與一層或兩層薄片層相接觸的程度。
這種將由基片分開的兩層薄片進(jìn)行互連的獨(dú)特方法，依賴于玻璃陶瓷基片的充分低的熱膨脹系數(shù)(CTE)，大約為50×107到約100×107吋/吋/度，與之相比，銅箔的CTE較高，約為160×107吋/吋/度。玻璃陶瓷與導(dǎo)線之間CTE的不同使得導(dǎo)線比通孔有較大的線膨脹。所以，只要塌落率保持在由被加工的專門材料系統(tǒng)所決定的限度內(nèi)，導(dǎo)線就能被薄片層壓緊。當(dāng)導(dǎo)線被釬焊到兩層薄片上，且將組件冷卻后，釬焊好的導(dǎo)線處于拉緊狀態(tài)。所以，選擇導(dǎo)線的材料最好是在經(jīng)受特殊材料系統(tǒng)所需的粘合溫度范圍后，仍具有足夠的可延性。
作導(dǎo)線的銅合金基本上包含了從下組中選擇的一個元素2～13%左右的錫、0.2～4%左右的磷、5～15%左右的銻、3～6%左右的硅、4～12%左右的砷及它們的混合物，高到約4%的鐵，合金的其余部分均為銅。
可形成適于所述環(huán)境的導(dǎo)線的合金例子是含有約8%的錫，約0.025%的磷，約2%的鐵的銅合金。其它的例子有含2%左右磷的銅，含12%左右銻的銅，含5%左右硅的銅，含9%左右砷的銅，或者是這些合金的三元或四元組合物。應(yīng)用具有所需高電導(dǎo)特性并且在加工溫度下處于所需的半固體狀態(tài)的任何其它合金系統(tǒng)都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
參照圖5D，組件124具有由薄片層114和115形成的任意所需形狀的導(dǎo)電電路圖形。電路可采用任何所需工藝形成，例如光刻。結(jié)果形成由結(jié)構(gòu)124和基片110重疊構(gòu)成的多層電路組件130，如圖5E所示。例如，兩個結(jié)構(gòu)124可以與一個夾在其中如圖5A所示的基片110相重疊。
組裝的工藝步驟可以是首先將基片110重疊到組件124上，然后將導(dǎo)線120插入每個通孔112。如上所述，由于要與電路薄片相接觸，導(dǎo)線被切得與通孔112的長度相同。再將第二個組件124重疊到基片110的上表面上，將已層壓成型的組件加熱到玻璃軟化所需的溫度，溫度范圍可為600℃～1000℃左右。然后，向組件130施加小于約300psi的層壓成型壓力，來增強(qiáng)玻璃陶瓷之間的及玻璃陶瓷與夾在其中的電路薄片之間的粘著力。與此同時，電路薄片之間未固定的導(dǎo)線變成半固體狀態(tài)，并與中間的電路層相粘接以形成多層電路組件130。雖然組件已被描述為具有底端和頂端的方向性，但在裝配中選取任意所需的方向，這也屬于本發(fā)明的范圍。
顯然，根據(jù)本發(fā)明提供了一種玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)和制作這種結(jié)構(gòu)的工藝方法，這種結(jié)構(gòu)滿足上面提出的目的、方法和優(yōu)點(diǎn)。雖然已結(jié)合其實(shí)施例來描述了本發(fā)明，但對于熟悉上述技術(shù)的人來說，許多替換、改形和變化都是顯而易見的。因此，希望把所有這些替換，改形和變化都包含在附加權(quán)利要求
的精神和寬范圍中。
權(quán)利要求
1.制作玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)的工藝方法，上述工藝方法的特征在于以下的工藝步驟制備陶瓷顆粒22；制備在約500℃～約1000℃的范圍內(nèi)可熔融的玻璃顆粒24。用包有熔融狀態(tài)之的玻璃粘合料的陶瓷顆粒形成粉漿10；在比較低的壓力下使粉漿固結(jié)，以形成第一玻璃陶瓷基片72；冷卻上述熔融一固體混合料，使熔融玻璃固化。
2.權(quán)利要求
1的工藝方法的進(jìn)一步特征為從上述陶瓷顆粒22和玻璃顆粒24的混合料中形成上述粉漿10的工藝步驟。其中，玻璃顆粒為玻璃和陶瓷混合料體積的10%～30%左右。
3.權(quán)利要求
2的工藝方法的進(jìn)一步特征為從由Al2O3、ZrO2、TiO2和ZrSiO4形成的小組中選擇上述陶瓷顆粒的工藝步驟。
4.權(quán)利要求
3的工藝方法的進(jìn)一步特征為從由硅酸鹽、硼硅酸鹽、磷酸鹽和硼硅酸鋅玻璃組成的小組中選擇上述玻璃顆粒。
5.權(quán)利要求
4的工藝方法的進(jìn)一步特征為上述玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)具有約40×107～約80×107吋/吋/度的熱膨脹系數(shù)。
6.權(quán)利要求
5的工藝方法的進(jìn)一步特征為在上述固結(jié)工藝步驟中，在上述玻璃陶瓷基片上形成通孔的工藝步驟。
7.權(quán)利要求
1的工藝方法的進(jìn)一步特征為下述工藝步驟在上述固結(jié)工藝步驟中，在上述第一玻璃陶瓷基片72中，至少形成一個通孔74;在上述第一基片的至少一個通孔74中，放置第一導(dǎo)電材料;在第一玻璃陶瓷基片72的至少一個表面88上，形成導(dǎo)電電路圖形層82;通過與第一玻璃陶瓷基片72基本上相同的工藝方法，制備第二玻璃陶瓷基片82;在上述第二玻璃陶瓷基片中至少形成一個通孔92;在第二基片上至少一個通孔中放置第二導(dǎo)電材料;緊貼在第二玻璃陶瓷基片的一個表面的第一玻璃陶瓷基片的表面88上，放置第一電路圖形層;加熱第一和第二玻璃陶瓷基片，借此使得每一個基片上的玻璃足夠軟化，與相鄰基片中的玻璃粘合，并使第一和第二基片的通孔中的導(dǎo)電材料與第一電路圖形層相接觸以便形成多層電路。
8.權(quán)利要求
7的工藝方法的進(jìn)一步特征為將第一和第二玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)一起加壓，從而增強(qiáng)每一基片的軟化玻璃之間的粘合的工藝步驟。
9.權(quán)利要求
8的工藝方法的進(jìn)一步特征為從由鈀、鉑、金、銀、銅和它們的合金組成的小組中選擇第一和第二導(dǎo)電材料的工藝步驟。
10.權(quán)利要求
9的工藝方法的進(jìn)一步特征為下述工藝步驟制備用與上述第一玻璃陶瓷基片基本相同的工藝方法所形成的至少一個第三玻璃陶瓷基片100;在上述第三玻璃陶瓷基片中，至少形成一個通孔102;在第三基片的至少一個通孔中放置一個第三導(dǎo)電材料;在第二玻璃陶瓷基片的表面上放置第二電路層;加熱第一、第二及第三玻璃陶瓷基片，借此使每一基片的玻璃變得足夠的軟化，以便與相鄰基片的玻璃相粘合，并且使第三基片上的通孔中的導(dǎo)電材料與第二電路圖形層相接觸。
11.權(quán)利要求
10的工藝方法的進(jìn)一步特征為由一薄片構(gòu)成上述第一導(dǎo)電電路圖形層的工藝步驟。
12.權(quán)利要求
11的工藝方法的進(jìn)一步特征為從某一材料中選擇上述薄片的工藝步驟，這種材料是從由脫氧銅合金和無氧銅合金組成的小組中選出的。
13.權(quán)利要求
12的工藝方法的進(jìn)一步特征為從合金的添加物少于合金的約10%(其余部分為銅)的材料中選擇銅合金薄片的工藝步驟。
14.權(quán)利要求
13的工藝方法的進(jìn)一步特征為刻蝕上述薄片以形成上述第一電路圖形層的工藝步驟。
15.按權(quán)利要求
1的工藝方法生產(chǎn)的產(chǎn)品。
16.按權(quán)利要求
4的工藝方法生產(chǎn)的產(chǎn)品。
17.按權(quán)利要求
7的工藝方法生產(chǎn)的產(chǎn)品。
18.按權(quán)利要求
12的工藝方法生產(chǎn)的產(chǎn)品。
專利摘要
公開了一種形成多層玻璃陶瓷電路90的工藝方法。由粉漿10或熔融玻璃顆粒和陶瓷形成一個或多個玻璃陶瓷基片72、86、100，這是在玻璃顆粒被軟化而陶瓷顆粒處于固態(tài)的溫度下形成的。將導(dǎo)電圖形82加在一個玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)的至少一個表面上之后，將至少兩個玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)互相重疊起來，其中夾有導(dǎo)電圖形，并且將其加熱直至每一玻璃陶瓷結(jié)構(gòu)的玻璃與相鄰結(jié)構(gòu)的玻璃相粘合，以便形成多層結(jié)構(gòu)90。
文檔編號H01L21/48GK86101344SQ86101344
公開日1986年10月22日 申請日期1986年3月3日
發(fā)明者邁克爾·J·普約爾 申請人:奧林公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan