專利名稱:微電子線路用陶瓷基片及其制作方法
本發(fā)明和微電子線路用陶瓷基片及其制作方法有關(guān)。本發(fā)明尤其針對具有特別低的介電常數(shù)、低的熱膨脹系數(shù)、高的機械強度和允許用高熔點金屬導體在其上布線的陶瓷基片以及針對制作這種陶瓷基片的方法。
近年來隨著半導體器件集成度的增高，對于支承這種器件，并承受高密度布線和使之具有較高性能特征、較高可靠性的線路基片的需要在日益增長。具體地說，在電子計算機和類似設(shè)備上使用的線路基片的重要問題是高速信號傳輸和高可靠性。實際上，這些基片使用的陶瓷主要由鋁(Al2O3)構(gòu)成。
對用于這種線路基片的陶瓷特性要求如下
(1)陶瓷絕緣體應(yīng)該是密集的，且具有密封性。這將關(guān)系線路基片的總的可靠性。
(2)陶瓷的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能和硅芯片的熱膨脹系數(shù)接近。目的是減小在陶瓷基片和硅芯片間產(chǎn)生的應(yīng)力，以延長接合壽命和增強可靠性。
(3)減小陶瓷的介電常數(shù)。目的是提高信號傳輸速度。
(4)導體金屬同陶瓷基片的結(jié)合要牢固，即金屬化結(jié)合強度高。這將關(guān)系到線路基片和輸出端或輸入端的結(jié)合強度。
(5)這種陶瓷應(yīng)具有高機械強度。這對加工基片過程中的裝卸和在基片上安裝密封、冷卻裝置是需要的。
因此，作線路基片用的材料應(yīng)當同時滿足上述諸項要求。特別是若上述項目中的任何一項不能滿足時，用于電子計算機的這些線路基片將不能使用。這些線路基片的每一片都載有幾十個密集集成的半導體元件。
這種類型基片通常使用Al2O3。雖然它在密封性、金屬化結(jié)合強度和機械強度方面是滿足要求的，但其熱膨脹系數(shù)(8×10-6/℃)比硅芯片的(3×10-6/℃)高，介電常數(shù)也高，約為10。因此Al2O3不適合作線路基片。
熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)低于Al2O3的陶瓷絕緣體有二氧化硅(SiO2，ε約等于4)、堇青石晶體(5SiO2·2Al2O3·2MgO，ε約等于5.0)、堇青石玻璃(ε等于6.3)、塊滑石(MgO·SiO2，ε等于6.3)、鎂橄欖石(2MgO·SiO2，ε等于6.5)和莫來石(3Al2O3·2SiO2，ε等于7)。
然而，二氧化硅和堇青石晶體的熱膨脹系數(shù)非常低，即分別低到5×10-7/℃和1.5×10-4/℃，塊滑石和鎂橄欖石分為7.2和7.8(室溫-400℃)，幾乎等于和高于Al2O3的熱膨脹系數(shù)，堇青石玻璃的熱膨脹系數(shù)約為3.7×10-6/℃，和硅芯片接近，但堇青石玻璃的機械強度低到100MPa，所以利用堇青石玻璃制作線路基片是不現(xiàn)實的。
莫來石的介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù)也不能令人滿意，但它具有350MPa的高機械強度，是一般陶瓷中最有希望的。
不過莫來石有下面(1)和(2)兩項固有問題
(1)莫來石和常規(guī)導體金屬間的結(jié)合強度明顯的低。這是由于既使提高溫度在莫來石和鎢(W)或鉬(Mo)之間也不會發(fā)生化學反應(yīng)。鎢(W)和鉬(Mo)通常用于在鋁基片和類似基片上作為導體金屬，該特性為莫來石所固。
(2)使上述結(jié)合強度大大提高需要一種特殊的莫來石粉和一種特殊的燒結(jié)方法，這種方法成本高而且不現(xiàn)實。K.S.Mazdiyasni和L.M.Brown〔“莫來石的合成和機械性能”〕，J.Am.Ceramic Soc.，1972年、第55卷、第11期，548-555頁。通過壓縮莫來石的細粉和在高溫1800℃燒結(jié)被壓縮的物體得到一種可形成高強度的燒結(jié)的莫來石體。
把這種粉加工成坯片(燒結(jié)之前)十分困難，坯片就是線路基片的雛形。此外，1800℃燒結(jié)溫度遠高于常規(guī)基片使用的溫度，即1500到1650℃，考慮到加熱爐的加熱體和熱絕緣體，這是實現(xiàn)這個方法的最大難點。
如前面所說，莫來石固有地難于燒結(jié)，長期以來使用的一種方法稱之為“液相燒結(jié)”，已在生產(chǎn)燒結(jié)硬質(zhì)合金方面付諸實施。
典型的燒結(jié)硬質(zhì)合金由碳化鎢(WC)和鈷(Co)組成。單燒結(jié)碳化鎢很困難，當燒結(jié)時加入百分之幾的鈷，卻能做出高密度燒結(jié)體。這是因為鈷在燒結(jié)過程中被熔解，熔解的鈷以其表面張力將WC縮回固態(tài)。
液相燒結(jié)法也用于燒結(jié)制作線路基片的Al2O3。亦即常規(guī)尺寸為幾個微米的Al2O3顆粒是難于燒結(jié)的，但添加熔解溫度遠比Al2O3為低的材料(由三或四種，比如SiO2、Al2O3、MgO和CaO，成分組成的一種低共熔混合物)，按液相燒結(jié)機理，它們是能被密集地燒結(jié)的。
在上述二實例中，變?yōu)橐合嗟拟捄陀扇蛩姆N成分組成的易熔混合物，對難燒結(jié)物質(zhì)起促進燒結(jié)作用。通常前者叫作粘結(jié)劑，后者叫作助燒結(jié)劑。
上述理由如下就燒結(jié)的WC-Co硬合金而論，WC晶體顆粒通過金屬Co牢固地結(jié)合在一起。這種合金的高硬度和高韌性可由選擇WC和Co之比例而隨意變化。WC硬、脆，Co堅韌。這樣鈷的粘結(jié)功能是非常有效的。
就Al2O3線路基片而論，添加三或四種成分的易熔混合物能大大促進燒結(jié)Al2O3。但是Al2O3的固有特性幾乎不隨這種添加劑而變化。所以這三或四種成分的易燃混合物一般叫作助燒結(jié)劑。
據(jù)上面介紹的觀點，莫來石助燒結(jié)劑的研究已使燒結(jié)莫來石陶瓷的難題得到解決。當然這些研究都是企圖把堇青石作為另一種助燒結(jié)劑按照液相燒結(jié)機理使莫來石結(jié)構(gòu)做得更加致密。
例如，在日本專利公開號139709/80和在“莫來石-堇青石合成物的制備和特性”〔B.H.Mussler和M.W.Shafer，Am.Ceram.Soc.Bull，1984年，第63卷，第705頁〕一文中給出了關(guān)于用莫來石作基體和用堇青石作助燒結(jié)劑的討論。
從SiO2-Al2O3-MgO系的平衡圖可看出5SiO2·2Al2O3·2MgO的熔點是1490℃，遠低于莫來石的熔點(1830℃)。為此莫來石結(jié)構(gòu)可因液相燒結(jié)作用變得更加密集，結(jié)果得到一種吸水性為0%的燒結(jié)體。
在日本專利公開號139709/80中和B.H.Mussler等人的文章中，所用的燒結(jié)劑盡管均被稱之為堇青石，但不清楚前者的堇青石是結(jié)晶的，還是非結(jié)晶的，B.H.Mussler等人使用的是結(jié)晶堇青石。
無論是結(jié)晶的還是非結(jié)晶的堇青石，其熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)均低于上述的那些莫來石。因此期望在莫來石中添加堇青石的辦法能夠像產(chǎn)生促進燒結(jié)效應(yīng)那樣降低莫來石的熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)。
在公開號139709/80中，當堇青石對莫來石的重量百分比由3.63%變化到36.2%時，得到的燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)范圍是4.2×10-6到3.8×10-6/℃，介電常數(shù)范圍是6.7到6.5。在公開號139709/80中，當把堇青石加到莫來石晶體基材中，得到上述特性的組成范圍是用MgO，Al2O3+SiO2和Al2O3/SiO2重量比來表達的。這種組成表達式對于利用液相燒結(jié)機理致使密集的燒結(jié)體顯然不合適，對于燒結(jié)體的全部特性取決于Al2O3晶體基材的燒結(jié)體也顯然不合適。由堇青石對莫來石的比例表示莫來石-堇青石燒結(jié)體的組成較為合理。
按照B.H.Mussler等人的文章具有熱膨脹系數(shù)范圍從4.5×10-6到3.2×10-6/℃，介電常數(shù)從5.7到4.8的燒結(jié)體是當結(jié)晶態(tài)堇青石對莫來石的重量比從17.1變化到76.8%而得到的。
在上述兩個現(xiàn)有技術(shù)實例中，當作線路基片用，所得到的燒結(jié)體在氣密、熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)方面接近令人滿意。
陶瓷的機械強度在兩個現(xiàn)有技術(shù)實例中均未敘述，其實這也是線路基片要求的特性之一。所以當作線路基片用時，這些現(xiàn)有技術(shù)陶瓷在強度上是否能令人滿意很值得懷疑。
而且現(xiàn)有技術(shù)實例中，也未敘述有關(guān)金屬化結(jié)合強度的研究結(jié)果。把導體金屬同一種絕緣體陶瓷同時聚集燒結(jié)對制作包含若干個基片的多層線路尤為必要。盡管如此，在現(xiàn)有技術(shù)實例中關(guān)于金屬化結(jié)合強度沒有給出說明。較弱的金屬化結(jié)合強度將是用這些種陶瓷作線路基片的一個致命問題。
在現(xiàn)有技術(shù)實例中沒有給出關(guān)于金屬化結(jié)合強度結(jié)果之理由可能是實例中使用的助燒結(jié)劑具有影響莫來石基片金屬化的主要缺點。
因為莫來石對任何高熔點金屬，像W和Mo，不起化學反應(yīng)，為使這類金屬牢固地和莫來石結(jié)合在一起，應(yīng)用于Al2O3基片和類似基片的液相穿透法也是必不可少的。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)之缺陷的陶瓷線路基片，它有密集的結(jié)構(gòu)、和硅最為接近的熱膨脹系數(shù)、和Al2O3比有足夠低的介電常數(shù)、高的機械強度以及能夠和像W和Mo這種高熔點金屬牢固地結(jié)合在一起。
本發(fā)明的另一個目的是提供生產(chǎn)這種陶瓷基片的工藝方法。
本發(fā)明基于發(fā)現(xiàn)一種燒結(jié)莫來石用的新型粘結(jié)劑，這對基于液相燒結(jié)機理、陶瓷性質(zhì)的改進和借助液相穿透作用使陶瓷和導體金屬有力地相互結(jié)合的任何密集作用都能令人滿意。
圖1表示液體使固體變濕潤的能力;
圖2法示粘結(jié)劑中SiO2的含量和粘結(jié)劑熔點的關(guān)系;
圖3表示粘結(jié)劑中SiO2的含量和莫來石上粘結(jié)劑接觸角的關(guān)系;
圖4表示粘結(jié)劑中SiO2的含量和在W和Mo上粘結(jié)劑接觸角的關(guān)系;
圖5表示粘結(jié)劑對莫來石的比例和莫來石粘結(jié)劑燒結(jié)成分的熱膨脹系數(shù)的關(guān)系;
圖6表示粘結(jié)劑對莫來石的比例和莫來石粘結(jié)劑燒結(jié)成分的介電常數(shù)的關(guān)系;
圖7表示粘結(jié)劑中SiO2含量和莫來石燒結(jié)劑燒結(jié)成分的介電常數(shù)的關(guān)系;
圖8表示粘結(jié)劑對莫來石的比例和莫來石粘結(jié)劑燒結(jié)成分的撓曲強度的關(guān)系;
圖9表示粘結(jié)劑中SiO2含量和莫來石粘結(jié)劑燒結(jié)成分的撓曲強度的關(guān)系;
圖10表示粘結(jié)劑中SiO2含量和莫來石粘結(jié)劑燒結(jié)成分的孔隙率的關(guān)系;
圖11表示莫來石粘結(jié)劑組成成分的燒結(jié)溫度和撓曲強度的關(guān)系;
圖12是一張顯微鏡照片表明據(jù)本發(fā)明制作的陶瓷基片的微觀結(jié)構(gòu);
圖13是一張顯微鏡照片表明據(jù)本發(fā)明制作的陶瓷基片和W導體接頭的微觀結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的基本概念將在下面說明，本發(fā)明使用的粘結(jié)劑需要滿足下列要求
(1)據(jù)液相燒結(jié)機理為使莫來石燒結(jié)致密，粘結(jié)劑的熔點應(yīng)當?shù)陀谀獊硎娜埸c，在適宜的燒結(jié)溫度下，莫來石和粘結(jié)劑之間應(yīng)稍有化學反應(yīng)出現(xiàn)。熔化的粘結(jié)劑應(yīng)當充分地潤濕莫來石晶粒。
(2)據(jù)液相穿透作用，為使導體金屬和莫來石相結(jié)合，(1)中所述的熔化態(tài)粘結(jié)劑應(yīng)當充分地潤濕導體金屬。
(3)類似鈷在WC-Co合金中的作用，粘結(jié)劑應(yīng)當有改進莫來石特性的作用，比如改進熱膨脹系數(shù)，介電常數(shù)和機械強度等特性。
總結(jié)上述要求，使用以莫來石為基礎(chǔ)的線路基片的粘結(jié)劑的熔點要比莫來石低，熔化態(tài)的粘結(jié)劑應(yīng)當充分地潤濕導體金屬和莫來石晶粒。粘結(jié)劑應(yīng)當包含大量SiO2，換言之，粘結(jié)劑基體應(yīng)當是SiO2，它的熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)在耐熱無機單質(zhì)材料中是最低的。
現(xiàn)在說明和本發(fā)明有重要關(guān)系的潤濕性。圖1表示位于固態(tài)平板1上方之熔滴2的形狀。圖中的θ叫作接觸角。當θ＞90°(圖1(a))一般認為平板未潤濕，當θ＜90°(圖1(b))一般認為平板已潤濕。對于本發(fā)明，導體金屬和莫來石晶粒對應(yīng)圖1中的固態(tài)平板，粘結(jié)劑對應(yīng)熔滴。
一般來說，為了采用液相燒結(jié)密集固體，θ≈90°的條件是不夠的。通常要求θ＜50°。因此用于莫來石線路基片的粘結(jié)劑最好能呈現(xiàn)θ＜50°。
借助參考下面實例，本發(fā)明可得到更詳細說明。
實例1
圖2表明按本發(fā)明在用于莫來石線路基片的粘結(jié)劑組成中測出的SiO2含量(重量百分比)和熔點的關(guān)系。借助添加一種粘結(jié)劑而減小莫來石的熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)，SiO2在粘結(jié)劑中的含量就重量而言必須少于50%，若SiO2含量是100%，熔點達1740℃，此值對線路基片燒結(jié)材料來說太高了。所以含SiO2為100%的粘結(jié)劑是不適用的。
為使粘結(jié)劑中SiO2含量至少保持50%和為使粘結(jié)劑熔點處于通常的1550到1770℃燒結(jié)溫度范圍以便線路基片能夠同鎢或鉬化合，利用在SiO2中施加第二種、第三種元素以降低熔點的原理是實用的。
鑒于上面原因，所制備粘結(jié)劑中SiO2成分的重量變化是從50到90%，如圖2所示，Al2O3成分的重量變化從35至4%，MgO成分的重量變化從15到1%。
由這些成分組成的粘結(jié)劑被加熱到1650℃，得到的熔融粘結(jié)劑熔滴放到以單一方式燒結(jié)的莫來石平板上，從而測出接觸角，其結(jié)果示于圖3。每種粘結(jié)劑中SiO2的重量含量在50到90%范圍內(nèi)，接觸角即可達50°。
熔融的粘結(jié)劑熔滴被放到鉬、鎢金屬板上，并測出接觸角，其結(jié)果示于圖4，其中曲線1是鉬的，曲線2是鎢的。
將圖2、圖3和圖4所示結(jié)果與上述對莫來石線路基片所用粘結(jié)劑的要求進行對比，可以看出在圖2所示的粘結(jié)劑成分中，當燒結(jié)溫度在1550到1660℃，那些包含SiO2重量比為50到90%的粘結(jié)劑，在莫來石和在鉬和鎢金屬上的接觸角可達50°。在用粘結(jié)劑燒結(jié)莫來石、鎢或鉬時，期望粘結(jié)劑的接觸角盡可能小。所以從圖3和圖4可得出如下結(jié)論，粘結(jié)劑中SiO2重量比含量范圍最好是從60%到80%。
其次，圖5表示莫來石-粘結(jié)劑燒結(jié)成分的熱膨脹系數(shù)(室溫-500℃)，這些系數(shù)對所做出的線路基片和硅芯片間的連接影響極大。圖5表示把莫來石和各種比例粘結(jié)劑的混和物在1620℃條件下燒結(jié)1小時制備出來的燒結(jié)體的熱膨脹系數(shù)，其中粘結(jié)劑有一定的組成成分(按重量比例，SiO290%、Al2O37.0%、MgO3.0%)。從圖5可看出粘結(jié)劑對莫來石的理想重量比例是從10到30%。
從上面可以清楚地看出，熱膨脹系數(shù)隨加到莫來石中的粘結(jié)劑的比例而增大。K.S.Mazdiyasni和L.M.Brown測試過不包含粘結(jié)劑的燒結(jié)體的系數(shù)。圖5所示熱膨脹系數(shù)的這種變化是由于粘結(jié)劑的系數(shù)比莫來石大。
眾所周知，物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)一般決定于物質(zhì)的成分和晶體結(jié)構(gòu)，非結(jié)晶形或無定形物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)大于結(jié)晶形物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)。檢查結(jié)果揭示在上述熱膨脹系數(shù)測量中使用的粘結(jié)劑是非結(jié)晶形的，在顯微鏡下呈現(xiàn)玻璃狀態(tài)。據(jù)這些事實可以認為在本發(fā)明中使用的粘結(jié)劑是非晶形的。
因此，只要保持莫來石對粘結(jié)劑的比例在75∶25范圍內(nèi)，還可按在圖2所示范圍內(nèi)改變粘結(jié)劑的成份，同樣能測出熱膨脹系數(shù)。結(jié)果指出，當SiO2成分增加，熱膨脹系數(shù)從5.7×10-6/℃降低到4.8×10-6/℃。
按照現(xiàn)有技術(shù)實例，即日本專利公開號139709/80，莫來石的熱膨脹系數(shù)因添加堇青石助燒結(jié)劑而大大降低。這被認為是作為助燒結(jié)劑的結(jié)晶形堇青石的熱膨脹系數(shù)遠比莫來石小造成的。
由上述可看出，據(jù)本發(fā)明的陶瓷熱膨脹系數(shù)遠比用現(xiàn)有技術(shù)做出的Al2O3基片的熱膨脹系數(shù)為小，因之在增強線路基片和硅芯片間連接的可靠性方面十分有效。
圖6表明同用于圖5有相同莫來石-粘結(jié)劑燒結(jié)成分的介電常數(shù)測量結(jié)果(1兆赫)。圖7表明在保持莫來石對粘結(jié)劑的比例在75/25范圍之內(nèi)，如圖2所示由改變粘結(jié)劑成分而制備的莫來石-粘結(jié)劑燒結(jié)成分的結(jié)果。從圖6可見合適的粘結(jié)劑對莫來石比例能使介電常數(shù)減小;可是考慮到介電常數(shù)和燒結(jié)產(chǎn)物其他特性的平衡，上述比例的合適數(shù)值按重量比例是從10到30%。而從圖7選擇的合適的粘結(jié)劑組成成分似乎也能減小介電常數(shù)，而粘結(jié)劑中SiO2成分的合適重量比是從60到90%。在此成分范圍，介電常數(shù)是穩(wěn)定的，沒有顯著的變化。
如圖6和圖7所示，隨著粘結(jié)劑的比例和粘結(jié)劑中SiO2成分的增加，介電常數(shù)從莫來石的原始值急劇下降。關(guān)于圖6中的介電常數(shù)值，不加粘結(jié)劑成分的介電常數(shù)值是K.S.Mazdiyasni和L.M.Brown測量的。
上面已提到，粘結(jié)劑在所發(fā)明陶瓷基片中的作用，就對陶瓷的熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)的影響而言，比上述兩個現(xiàn)有技術(shù)實例中使用助燒結(jié)劑的作用稍差。這是由于本發(fā)明是使用非結(jié)晶態(tài)粘結(jié)劑，而現(xiàn)有技術(shù)實例使用的是結(jié)晶態(tài)助燒結(jié)劑。
可是，熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)的稍稍減小，從對線路基片要求特性的全面考慮來說，不是什么問題。亦即，將陶瓷線路基片實用的最重要課題是陶瓷基片的機械強度和陶瓷基片與導體金屬間的結(jié)合強度，下面還將說明。
圖8表示有關(guān)撓曲強度的三點變曲試驗結(jié)果，撓曲強度是線性基片所需的特性之一，試驗是在如圖5那種試樣上做的。圖9表示在圖7那種試樣上做上述彎曲試驗的結(jié)果。當粘結(jié)劑對莫來石的重量比例是10到35%，以15到30%更好，和當每種粘結(jié)劑中SiO2成分重量比為50到95%，以65到90%更好，由圖8和圖9可知陶瓷至少具有線路基片所需的15公斤力/毫米2的撓曲強度。
當粘結(jié)劑重量比超過30%，如圖8所示，撓曲強度的減小似乎是由于粘結(jié)劑本身的強度比莫來石低造成的。如圖9所示，在每種粘結(jié)劑中SiO2重量比超過90%，撓曲強度也減小，似乎是因為SiO2的增加，阻礙莫來石緊密度的提高。
燒結(jié)陶瓷時，箝制陶瓷撓曲強度的因素之一是不夠致密，使燒結(jié)體內(nèi)有微孔。眾所周知，燒結(jié)體的強度隨其孔隙度的減小而增加。從圖10可見，當每種粘結(jié)劑中SiO2含量的重量比是在60到90%范圍內(nèi)時，孔隙度可達5%;這些結(jié)果與圖9所示的撓曲強度很好的吻合，因而SiO2含量的理想范圍是65到90%。當然根據(jù)本發(fā)明，在圖10表示的粘結(jié)劑組成成分范圍內(nèi)是氣密的。
眾所周知，按本發(fā)明像陶瓷這樣的復合材料的強度，除了取決于上述復合材料里的微孔以外，一般來說主要決定于基體和粘結(jié)劑間熱膨脹系數(shù)的差異。當基體的熱膨脹系數(shù)遠大于粘結(jié)劑的熱膨脹系數(shù)時，在燒結(jié)后冷卻階段粘結(jié)劑上會產(chǎn)生很大的張力，這種內(nèi)應(yīng)力造成整個復合材料強度的顯著降低。
根據(jù)上述強度降低的機理，就本發(fā)明陶瓷強度而論，所用粘結(jié)劑的熱膨脹系數(shù)肯定相當接近于基體莫來石，這是由于用在本發(fā)明中的粘結(jié)劑的非結(jié)晶結(jié)構(gòu)。這也是考慮前面堇青石實例的自然推論，它說明非結(jié)晶物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)明顯大于結(jié)晶物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)。
最后，對陶瓷-導體金屬連接，亦即金屬化結(jié)合強度的試驗結(jié)果進行解釋。它是線路基片的一項基本要求。
因為在陶瓷莫來石和鎢或是鉬之間即使是在如前面所說的高達1650℃條件下(在還原氣氛中)也不發(fā)生化學反應(yīng)，所以需要一定量的液相，換言之，必須利用液相穿透機理，以使這些材料結(jié)合牢固。
通常，多層線路基片的結(jié)構(gòu)是陶瓷絕緣層和導體金屬層相互交替地重疊。對這種結(jié)構(gòu)基片，較為理想的是結(jié)合陶瓷和導體金屬的液相成分和使陶瓷燒結(jié)致密的粘結(jié)劑的成分相同。圖3、圖4示出的上述結(jié)果揭示，按本發(fā)明粘結(jié)劑對莫來石和鎢或是鉬均有足夠的潤濕性。陶瓷環(huán)片是由以莫來石為基體的莫來石和重量比占28%的一種粘結(jié)劑的混合物制備的，每種粘結(jié)劑有如圖4所示的同樣組成。2毫米見方的標記是用鎢或鉬導體膏印制在這些坯片上。制成的片子在1630℃條件下，經(jīng)2小時燒結(jié)以制備樣品。這些樣品的金屬化結(jié)合強度已經(jīng)過測量。鎢的結(jié)合強度是1.5到5公斤，鉬是1.0到4.0公斤。
線路基片金屬化強度一般希望至少是1公斤。所以按本發(fā)明陶瓷是可以滿足實際應(yīng)用的。上述的高金屬化結(jié)合強度是熔隔粘結(jié)劑的作用，按本發(fā)明粘結(jié)劑在莫來石上的接觸角比較小，和在鎢或鉬上一樣，所以充分顯示了液相穿透作用。
使用的膏由高熔點金屬如鎢或是鉬、溶劑和有機載體構(gòu)成。這三種成分的混合比例隨所需的電導率可稍有變化。一般來說，按重量比例高熔點金屬占70到85%、溶劑占10到29%、有機載體占1到5%。理想的高熔點金屬的平均顆粒尺寸是0.5到2微米，純度至少是99.9%。
同時燒結(jié)純陶瓷絕緣體和導體的能力對控制生產(chǎn)多層布線的電子計算機線路基片的工藝過程和對降低生產(chǎn)成本極為優(yōu)越。
實例2
圖11表明在以莫來石為基體的陶瓷上檢查撓曲強度和燒結(jié)溫度之間的關(guān)系。測試樣品是由重量比占80%的莫來石和20%的粘結(jié)劑混合物制備的，粘結(jié)劑由重量比占90%的SiO2，7%的Al2O3和3.0%的MgO組成的。樣品在還原氣氛中和在不同溫度下，燒結(jié)60分鐘。
如圖11中所見，按照本發(fā)明在1550℃到1700℃條件下燒結(jié)的陶瓷撓曲強度至少是15公斤/毫米2，這是線路基片要求的。最佳燒結(jié)溫度是1600℃到1700℃。這些結(jié)果也和莫來石及其類似物的粘結(jié)劑-潤濕性有關(guān)。當然，上述燒結(jié)溫度的適當范圍受到由圖2所示組成的粘結(jié)劑的熔融溫度的限制，也受在不同溫度下莫來石上粘結(jié)劑的接觸角限制。
實例3
關(guān)于用坯片疊合法制作本發(fā)明的線路基片在下面進行解釋。
一種平均顆粒尺寸為2微米的商用莫來石粉和粘結(jié)劑粉(顆粒尺寸1到3微米)按相對重量比例為70%和30%。用濕式球磨機充分的混合起來。粘結(jié)劑粉是由重量比例為60%的SiO2，30%的Al2O3和10%的MgO組成的。加入一種有機的粘結(jié)劑、增塑劑和分散介質(zhì)，作為增加致密的輔助材料。這種有機粘結(jié)劑是聚乙烯縮丁醛、丙烯酸脂或類似物;增塑劑是酞酯或類似物;分散介質(zhì)是乙醇、三氯乙烯或類似物。
加入這些促使緊密的輔助材料而得到的稀漿可由，比如用刮漿刀法(doctor blade method)使之緊密。該方法的實現(xiàn)是在基膜(載帶)上涂敷均勻厚度的稀漿，使涂層干燥成固體，而后自基膜上分開固體涂層，于是得到陶瓷原料片，通常稱為坯片。
由上述方法制備的以莫來石為基體的薄片，厚度為0.15至0.25毫米，以滿足線路基片要求的介電常數(shù)。因為還要在多層基片上布線，所以得用沖壓或其他適當?shù)姆椒ㄔ谂髌献隹籽?，這些穿孔里填滿鎢膏，把樹脂和溶劑加到平均顆粒尺寸為1微米的鎢粉中，即做成鎢膏，例如這里用的鎢膏由重量比為77.5%的鎢粉(純度至少為99.9%，平均顆粒尺寸為1±0.5微米)，20%的二甘醇單丁基乙醚乙酸鹽，2%的乙基纖維素和0.5%的聚乙烯醇縮丁醛構(gòu)成。
然后，用同樣的鎢膏在坯片上印制最外電路層和里面電路層布線的預定圖形。鉬也可以用來代替鎢膏中的鎢。
經(jīng)過布線的20個陶瓷坯片互相疊加起來，在110℃條件下，用50Kg/cm3左右的壓力熱壓成陶瓷坯片迭層。在1580℃條件下，把迭層放在氫的潮濕氣氛中燒結(jié)5小時，做出用鎢導體布線的莫來石為基體的多層線路基片。
做出的線路基片的吸水性為0%，熱膨脹系數(shù)5.4×10-6/℃，介電常數(shù)6.1、撓曲強度20公斤力/毫米2。用顯微鏡觀察基片橫截面，以便檢查精細結(jié)構(gòu)。如圖12所示，這些基片具有莫來石顆粒被粘結(jié)劑所包圍的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的特性和作用很容易由圖12證實。
實例4
多層線路基片的制備與例3中的方法相同，由重量比為80%的莫來石(和例3中使用的粉末一樣)和20%的粘結(jié)劑(重量比例是SiO290%、Al2O37.0%，MgO3.0%)的混合物制成坯片，在片上制作通孔和線路圖形，把做出的25個片子疊起來，在1620℃條件下，把疊層放在氫的潮濕氣氛中燒結(jié)2小時。
做出的基片的吸水性為0%，熱膨脹系數(shù)5.2×10-6/℃，介電常數(shù)5.9，撓曲強度25公斤力/毫米2。用顯微鏡觀察這些基片的橫斷面以檢查基片層間內(nèi)部布線，從那里可證明陶瓷層和導體金屬層完全結(jié)合在一起，如圖13所示。這種完全結(jié)合的狀態(tài)是莫來石致密化和粘結(jié)劑充分穿透鎢層的結(jié)果，致使莫來石致密化是因為在燒結(jié)時加進了粘結(jié)劑。
實例5
多層線路基片的制備與例3中的方法相同，由重量比85%的莫來石(和例3中使用的粉末一樣)和15%的粘結(jié)劑(重量比95%的SiO2，4%的Al2O3，1%的MgO)的混合物制成坯片，在其上制作通孔和線路圖形，把做出的18個片子疊加起來，在1660℃條件下，把迭層放在氫的潮濕氣氛中燒結(jié)1小時。
做出的基片的吸水性是0%，熱膨脹系數(shù)4.6×10-6/℃，介電常數(shù)5.7，撓曲強度21公斤力/毫米2?？路ソ饘?KOVar)的輸入和輸出端用銅焊固定在基片的上表面。進行了拉力試驗，在基片和每一端點之間都產(chǎn)生應(yīng)力。結(jié)果表明在陶瓷基片內(nèi)部發(fā)生的全部裂縫和破裂方式跟通常鋁基片相似，這說明這個實例中的基片充分滿足實際應(yīng)用的要求。
按本發(fā)明，生產(chǎn)比常規(guī)鋁基片致密的，且有極好熱，電性能的線路基片是可能的。即具有4.5到5.5×10-6/℃的極低熱膨脹系數(shù)和5.5到6.2的極低介電常數(shù)。此外該基片還具有15到25公斤力/毫米2的足夠的撓曲強度，且能同時與鎢、鉬之類的導體金屬同時燒結(jié)以使布線和所在處的基片結(jié)為一體。因此這種基片有特殊的效果，和通常的鋁基片相比信號傳輸速度至少增加25%，基片和硅芯片之間的連接以及基片和任一輸入和輸出端之間的連接的可靠性也提高了，經(jīng)濟性較好，生產(chǎn)過程穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1、一種陶瓷基片，其特征在于是由莫來石晶體和非結(jié)晶狀粘結(jié)劑構(gòu)成的燒結(jié)體組成。
2、按照權(quán)利要求
1的陶瓷基片，其特征在于，在基片上具有高熔點金屬布線導體。
3、按照權(quán)利要求
2陶瓷基片，其特征在于其上有孔眼并且孔眼里填入和上述布線導體相同的導體。
4、按照權(quán)利要求
2陶瓷基片，其特征在于上述的高熔點金屬是鎢或鉬。
5、一種生產(chǎn)陶瓷基片的工藝過程，其特征在于包括下列工序
由包含重量比70至85%的莫來石陶瓷和30至15%的粘結(jié)劑組成的混合物制作坯片，粘結(jié)劑由重量比60至95%的SiO2，4至30%的Al2O3和1至10%的MgO構(gòu)成的;
用具有高熔點金屬的導體膏在坯片上印制線路圖形;
在1550至1770℃條件下，把做出的片子放在還原氣氛中燒結(jié);
6、一種生產(chǎn)陶瓷基片工藝過程，其特征在于包括下列工序
由包含重量比70至80%的莫來石陶瓷和30到15%的粘結(jié)劑組成的混合物制作坯片，粘結(jié)劑由重量比60至95%的SiO2，4至30%的Al2O3和1至10%的MgO構(gòu)成的;
在坯片上制作孔眼;
用具有高熔點金屬的導體膏在坯片上印刷線路圖形;
用上述的導體膏填入孔眼;
疊加若干個做好的坯片，形成一個迭層;
在1550至1770℃條件下，把迭層放在還原氣氛中燒結(jié)。
7、按照權(quán)利要求
5生產(chǎn)陶瓷基片的工藝過程，其特征在于上述的高熔點金屬是鎢或鉬。
8、按照權(quán)利要求
6生產(chǎn)陶瓷基片的工藝過程，其特征在于所說的高熔點金屬是鎢或鉬。
專利摘要
提供一種密集集成半導體陣列用陶瓷基片，它在熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)、金屬化結(jié)合強度和機械強度方面極為優(yōu)越。它由一種燒結(jié)體構(gòu)成，這種燒結(jié)體主要包含莫來石晶體和由SiO2、Al2O3、MgO組成的非晶態(tài)粘合劑。
文檔編號H01B3/12GK86102992SQ86102992
公開日1986年11月5日 申請日期1986年3月28日
發(fā)明者戶田堯三, 黑木喬, 石原昌作, 諫田尚哉, 藤田毅 申請人:株式會社日立制作所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan