專利名稱:莫來石陶瓷多層基片及其生產(chǎn)方法
本發(fā)明涉及莫來石陶瓷多層基片,更具體地說,它涉及在基片各表面上具有各鍍鎳導(dǎo)體的莫來石陶瓷多層基片。
由于陶瓷多層基片的高的接合面可靠性并且能夠減小其尺寸,所以至今一直把各陶瓷多層基片作為用于安裝諸如大規(guī)模集成電路芯片等小型電子元件的電路基片。由莫來石作為主要成分而構(gòu)成的莫來石陶瓷多層基片是上述電路基片的一個(gè)例子,并且可以用和生產(chǎn)普通氧化鋁陶瓷多層基片相同的方法來生產(chǎn)這種基片,如美國專利第4,460,916中所公開的。即,用有機(jī)樹脂將陶瓷原材料粉末粘合在一起、以制備一種陶瓷生坯片(下文將稱其為“生坯片”),接著對(duì)生坯片進(jìn)行通孔成形和印刷、以形成各布線導(dǎo)體,然后在預(yù)定的溫度下燒制、以獲得一種多層基片。此后,為了保護(hù)基片各表面上的各導(dǎo)體以及各電子元件的焊接面,對(duì)基片各表面上的各導(dǎo)體進(jìn)行鍍敷。該鍍敷工藝一直是用化學(xué)鍍的方法鍍敷一層由鎳和磷構(gòu)成的薄膜。然后,對(duì)鍍膜進(jìn)行熱處理、再對(duì)該基片進(jìn)行各電子元件的低溫焊接連接。熱處理必須在600℃或更高的溫度下進(jìn)行,以便獲得基片各表面上的各布線導(dǎo)體對(duì)鍍膜的良好的附著力。
在先有技術(shù)中,沒有對(duì)熱處理過程中鍍膜的收縮作充分的考慮,因此至今所用的由鎳和磷構(gòu)成的鍍膜存在這樣一些問題、以致于化學(xué)鍍之后的熱處理使各引線端部處的鍍膜隆起,并且在極端情況下使多層基片各表面上的莫來石體中出現(xiàn)一些裂紋。由于在各引線端部上并且也在各裂紋上、各電子元件與多層基片之間熱膨脹系數(shù)的差別,所以各引線端部處鍍膜的隆起或者各裂紋的出現(xiàn)導(dǎo)致熱應(yīng)力的集聚,這就大大縮短了所述接合面的壽命、并且降低了各電子元件的焊接面的可靠性。
另一方面,在日本專利申請(qǐng)公開第61-59889號(hào)中公開了一種把使用以硼做基質(zhì)的還原劑的化學(xué)鍍鎳用于氧化鋁基片的例子,其中完全沒有考慮莫來石陶瓷多層基片的情況。
本發(fā)明的目的是要提供一種帶有高連接可靠性的鍍膜層的莫來石陶瓷多層片以及生產(chǎn)這種基片的方法。
本發(fā)明的這一目的可用一種莫來石陶瓷多層基片來達(dá)到,該基片包括一塊由莫來石陶瓷作為主要成份而構(gòu)成的多層基片,在該多層基片上形成的各布線導(dǎo)體以及在各布線導(dǎo)體上形成的、由鎳和硼組成的鍍膜層,其中所述鍍膜層由97.0%至99.99%的鎳(按重量計(jì))和3.0%至0.01%的硼(按重量計(jì))組成,具有1.0至10微米的厚度并且通過在600℃至1,000℃溫度下的熱處理能夠避免裂紋的出現(xiàn)。
當(dāng)該鍍膜層由98.0%至99.99%的鎳(按重量計(jì))和2.0%至0.01%的硼(按重量計(jì))組成并且具有1.0至8.0微米的厚度時(shí)、以及當(dāng)在600℃至1,000℃溫度下進(jìn)行熱處理后,能夠獲得預(yù)防不好的連接性能的良好效果。
下面將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
正如本發(fā)明的背景中所提到的、在熱處理過程中,當(dāng)鍍膜層經(jīng)歷從非結(jié)晶態(tài)相變到Ni和Ni3P時(shí),由于其體積減小而引起的由鎳和磷組成的鍍膜層的收縮、導(dǎo)致熱處理之后各引線端部處鍍膜的隆起以及所述陶瓷多層基片各表面上出現(xiàn)一些裂紋。在低于800℃的熱處理溫度下,由92%至99%的鎳(按重量計(jì))和8%至1%的磷(按重量計(jì))組成的鍍膜層的收縮率是0.9%至0.5%。在莫來石陶瓷多層基片各表面上的各導(dǎo)體上形成鍍膜層之后,由于所述收縮而出現(xiàn)應(yīng)力,從而引起各引線端部處鍍膜的隆起以及在該基片各表面上出現(xiàn)一些裂紋。因此,為了避免在各引線端部處鍍膜的這種隆起以及各裂紋的出現(xiàn),必須提供這樣一種鍍膜層,即,一種在熱處理期間,其伴隨相變而產(chǎn)生的應(yīng)力是弱的鍍膜層。更準(zhǔn)確地說,必須提供一種鍍膜層,其與相變同時(shí)出現(xiàn)的收縮率是低的、并且其硬度也是低的。為此目的,鍍膜層必須由盡可能純的鎳組成,即,必須含有盡可能低的磷含量,但是用化學(xué)鍍的方法把所述磷含量減小到小于1%(按重量計(jì))實(shí)際上是非常困難的。因?yàn)榇嬖谝恍╇娊^緣布線圖案,所以對(duì)基片表面上所有導(dǎo)體都采用電鍍鎳的方法也是不可能的。
本發(fā)明者已經(jīng)證明,由鎳和硼組成的鍍膜作為這樣一種鍍膜是有效的該鍍膜在熱處理后其伴隨相變而產(chǎn)生的收縮率是低的,并且其硬度也是低的。該鍍膜的合適的成份范圍是98.0%至99.99%的鎳(按重量計(jì))和2.0%至0.01%的硼(按重量計(jì))。在不高于1000℃的熱處理溫度下、在該成份范圍內(nèi),所述鍍膜的收縮率不大于0.5%。熱處理之后,該鍍膜的硬度不大于由鎳和磷組成的普通鍍膜的硬度的2/3。然而,實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明,當(dāng)熱處理溫度超過1000℃時(shí),其收縮率大于0.5%、并且在各引線端部處出現(xiàn)象在先有技術(shù)中那樣使鍍膜隆起的趨勢(shì)。因此,超過1000℃的熱處理溫度是不合乎要求的。
因?yàn)殄兡さ氖湛s產(chǎn)生應(yīng)力,所以鍍膜的厚度越小越好(歸因于其收縮作用);但是,鍍膜層的厚度必須大到足于完整地復(fù)蓋所有導(dǎo)體表面。因此,鍍膜層最好具有不大于8.0微米的厚度,確切地說,1.0至8.0微米。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的莫來石陶瓷多層基片的橫截面圖,該基片具有由鎳和硼組成而在布線導(dǎo)體上形成的鍍膜層。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的莫來石陶瓷多層基片的橫截面圖,該基片具有在由鎳和硼組成的鍍膜層上形成的金鍍膜層。
在圖1和圖2中,標(biāo)號(hào)1、2、3和4分別表示基片、布線導(dǎo)體、Ni-B鍍膜層和金鍍膜層。
下面將參考各實(shí)施例和比較實(shí)施例來詳細(xì)地描述本發(fā)明。
實(shí)施例1把100克由70%(按重量計(jì))的莫來石粉末(其顆粒尺寸不大于幾微米)和30%(按重量計(jì))的堇青石及二氧化硅組成的陶瓷粉末作為燒結(jié)劑與8克聚乙烯醇縮丁醛作為有機(jī)粘合劑以及45克由三氯乙烯、四氯乙烯和丁醇組成的共沸點(diǎn)混合物作為溶劑摻合在一起、并且在球磨機(jī)中充分混合、以制備一種其中均勻分布著陶瓷粉末的生漿。接著,用減壓攪拌的方法對(duì)該生漿清除氣泡、以便從生漿中去除氣泡,然后用刮片澆注機(jī)把它做成薄片、以制備具有0.25毫米厚度的生坯片。切去這樣制備的生坯片的園周毛邊、做成一種200平方毫米的生坯片。此外,為了各種布線的垂直連接,用具有一些碳化鎢針的穿孔沖模做出一些穿過該生坯片的通孔。
然后,形成布線圖案。首先將敘述作為布導(dǎo)體材料的鎢膏的制備。
把80克具有1.5微米的平均顆粒尺寸的鎢粉、3克作為有機(jī)粘合劑的乙烯纖維以及17克作為溶劑的二甘醇加在一起、然后在碾磨機(jī)和三輥捏和機(jī)中捏和,并且用正丁基卡必醇調(diào)整該混合物的粘度。
然后把鎢膏填入穿過生坯片的各通孔中,并且用絲網(wǎng)印刷法在生坯片表面上形成布線圖案。同樣,用絲網(wǎng)印刷法在準(zhǔn)備迭加在一起的各個(gè)生坯片上形成各種預(yù)定的布線圖案。
然后,把已形成布線圖案的各生坯片彼此迭加、接著在150公斤/平方厘米的壓力下、同時(shí)在100℃的溫度下加熱壓制、以制備一種疊層結(jié)構(gòu)。再對(duì)如此制備的生坯片疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行燒制、以得到一種莫來石陶瓷多層基片。該燒制工藝是在箱式電爐中1,600℃的高溫下的氮?dú)?、氫氣和水蒸氣的混合氣體氣氛中進(jìn)行的。
然后,用化學(xué)鍍鎳法在已燒制的莫來石陶瓷多層基片兩個(gè)表面的各導(dǎo)體部分上形成由99.5%的鎳(按重量計(jì))和0.5%的硼(按重量計(jì))組成的、4微米厚度的鍍膜層,接著進(jìn)一步用化學(xué)鍍方法在已如此形成的鍍膜上形成0.2微米厚度的金鍍膜層。然后,在氮和氫的混合氣體氣氛中以850℃的高溫對(duì)已鍍鎳的莫來石陶瓷多層基片加熱、以對(duì)各鍍膜進(jìn)行熱處理。
用掃描電子顯微鏡檢驗(yàn)經(jīng)過熱處理的莫來石陶瓷多層基片的各表面,結(jié)果表明,在基片上既不存在各引線端部處各鍍膜的隆起、也未出現(xiàn)各裂紋。
然后在-25℃和150℃之間對(duì)安裝了大規(guī)模集成電路芯片的基片進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)、以便試驗(yàn)?zāi)獊硎沾啥鄬踊透鞔笠?guī)模集成電路芯片之間的接合面的壽命,結(jié)果表明即使在3,000次循環(huán)之后也未出現(xiàn)不可靠的接合面。實(shí)驗(yàn)證明這種成份的鍍膜的收縮率是0.3%。在圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例制備的莫來石陶瓷多層基片的橫截圖,而在圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例的、具有在鎳-硼鍍層上形成的金鍍層的莫來石陶瓷多層基片的橫截面圖。
比較實(shí)施例用化學(xué)鍍的方法在用與實(shí)施例1中相同的方法(直至燒制步驟)制備的已燒制的莫來石陶瓷多層基片兩表面上形成由98%的鎳(按重量計(jì))和2%的硼(按重量計(jì))組成的、厚度達(dá)4微米的鍍膜層,然后用與實(shí)施例1中相同的方法對(duì)已鍍膜的基片進(jìn)行鍍金和熱處理。再檢查熱處理后的基片的各表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在各引線端部處出現(xiàn)鍍膜隆起、并且在基片上出現(xiàn)一些裂紋。在實(shí)施例1中相同的熱循環(huán)試驗(yàn)中,60次循環(huán)之后發(fā)現(xiàn)了不好的接合面。實(shí)驗(yàn)表明這個(gè)成份比較實(shí)施例的各鍍膜的收縮率是0.6%。
實(shí)施例2用化學(xué)鍍的方法在用與實(shí)施例1中相同的方法(直至燒制步驟)制備的已燒制的莫來石陶瓷多層基片兩表面上形成由97.0%至99.99%的鎳(按重量計(jì))和3.0%至0.01%的硼(按重量計(jì))組成的、1.0微米厚度的鍍膜層;然后,用化學(xué)鍍的方法使已鍍膜的各基片進(jìn)一步形成0.2微米厚度的金鍍層、接著在600℃至1000℃的溫度下對(duì)這些基片進(jìn)行熱處理。然后檢驗(yàn)各基片的各表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在上述成分、膜層厚度和熱處理溫度范圍內(nèi),既未出現(xiàn)膜層的隆起、也未出現(xiàn)裂紋。
當(dāng)各鍍膜層由98.0%至99.99%的鎳(按重量計(jì))和2.0%至0.01%的硼(按重量計(jì))組成、膜層厚度在1.0至8.0微米范圍內(nèi)以及熱處理溫度在600℃至1,000℃的范圍內(nèi)時(shí),在與實(shí)施例1中相同的熱循環(huán)試驗(yàn)中,即使在3,000次循環(huán)之后也未發(fā)現(xiàn)不好的接合面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在這些范圍內(nèi)各鍍膜的收縮率都不大于0.5%。當(dāng)超出這些范圍時(shí),各收縮率超過0.5%,并且在熱循環(huán)試驗(yàn)中,在3,000次循環(huán)之前就發(fā)現(xiàn)了不好的接合面。
實(shí)施例3除了使用由50%至95%(按重量計(jì))的莫來石粉末(具有不大于幾微米的顆粒尺寸)和50%至5%(按重量計(jì))的細(xì)的堇青石和二氧化硅粉末組成的陶瓷粉末作為一種燒結(jié)劑、使用具有0.5微米至6.0微米平均顆粒尺寸的鎢粉作為用于布線導(dǎo)體材料的鎢膏以及使用1450℃至1700℃的燒制溫度之外,各莫來石陶瓷多層基片都是用與實(shí)施例1中相同的方法(直至燒制步驟)制備的。然后,用與實(shí)施例2中相同的方法和相同的各參數(shù)范圍對(duì)這些基片進(jìn)行化學(xué)鍍和熱處理。
然后,對(duì)這些經(jīng)過熱處理的基片進(jìn)行表面檢查和熱循環(huán)試驗(yàn),在莫來石粉末的上述成份范圍之內(nèi),得到了與實(shí)施例2中相同的各種結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明,能夠提供一種具有高的接合面可靠性的莫來石陶瓷多層基片,這是因?yàn)槟軌颢@得在熱處理過程中只出現(xiàn)弱的應(yīng)力的各種鍍膜層,同時(shí),在各引線端部處無鍍膜隆起,并且在多層基片各表面莫來石體上不出現(xiàn)裂紋。
權(quán)利要求
1.一種莫來石陶瓷多層基片,其特征在于包括-由莫來石作為主要成份而構(gòu)成的多層基片,-在該基片上所形成的各布線導(dǎo)體,和-在所述各布線導(dǎo)體上所形成的、由鎳和硼組成的鍍膜層。
2.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的莫來石陶瓷多層基片,其特征在于其中在所述鍍膜層上進(jìn)一步形成金鍍膜層。
3.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的莫來石陶瓷多層基片,其特征在于其中鍍膜層是用化學(xué)鍍方法形成的。
4.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的莫來石陶瓷多層基片,其特征在于在該基片的兩個(gè)表面上形成各布線導(dǎo)體,并且在各布線導(dǎo)體上均形成鍍膜層。
5.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的莫來石陶瓷多層基片,其特征在于其中鍍膜層由按重量計(jì)的98%至99.99%的鎳和按重量計(jì)的2.0%至0.01%的硼組成。
6.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的莫來石陶瓷多層基片,其特征在于其中鍍膜層具有不大于8微米的厚度。
7.根據(jù)權(quán)項(xiàng)5的莫來石陶瓷多層基片,其特征在于其中鍍膜層具有不大于8微米的厚度。
8.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的莫來石陶瓷多層基片,其特征在于其中在不高于1000℃的溫度下對(duì)所述基片進(jìn)行熱處理,從而導(dǎo)致布線導(dǎo)體對(duì)鍍膜層的充分的粘合力。
9.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7的莫來石陶瓷多層基片,其特征在于其中在不高于1000℃的溫度下對(duì)所述基片進(jìn)行熱處理,從而導(dǎo)致布線導(dǎo)體對(duì)鍍膜層的充分的粘合力。
10.一種用于生產(chǎn)莫來石陶瓷多層基片的方法,其特征在于包括-制備由莫來石作為主要成份而組成的多層基片,-在該基片上形成各布線導(dǎo)體,-在所述各布線導(dǎo)體上形成由鎳和硼組成的鍍膜層。
11.根據(jù)權(quán)項(xiàng)10的方法,其特征在于在所述鍍層上進(jìn)一步形成金鍍膜層。
12.根據(jù)權(quán)項(xiàng)10的方法,其特征在于所述鍍膜層是用化學(xué)鍍方法形成的。
13.根據(jù)權(quán)項(xiàng)10的方法,其特征在于其中所述鍍膜層由按重量計(jì)的98.0%至99.99%的鎳和按照重量計(jì)的2.0%至0.01%的硼組成。
14.根據(jù)權(quán)項(xiàng)10的方法,其特征在于所述鍍膜層具有不大于8.0微米的厚度。
15.根據(jù)權(quán)項(xiàng)13的方法,其特征在于所述鍍膜層具有不大于8.0微米的厚度。
16.根據(jù)權(quán)項(xiàng)10的方法,其特征在于在不高于1000℃的溫度下對(duì)所述基片進(jìn)行熱處理,從而導(dǎo)致所述各布線導(dǎo)體對(duì)所述鍍膜層的充分的粘合力。
17.根據(jù)權(quán)項(xiàng)15的方法,其特征在于在不高于1000℃的溫度下對(duì)所述基片進(jìn)行熱處理,從而導(dǎo)致所述各布線導(dǎo)體對(duì)所述鍍膜層的充分的粘合力。
18.根據(jù)權(quán)項(xiàng)10的方法,其特征在于所述多層基片是從作為燒結(jié)劑的、由按重量計(jì)的50%至95%的莫來石粉以及按重量計(jì)的50%至5%的細(xì)的堇青石和二氧化硅粉組成的陶瓷粉而制成的。
19.根據(jù)權(quán)項(xiàng)10的方法,其特征在于所述多層基片是通過把在各相應(yīng)表面上具有某一布線圖案的各生坯片彼此迭在一起,對(duì)這些生坯片在加熱條件下施加某壓力,從而形成疊層結(jié)構(gòu),然后燒制所述疊層結(jié)構(gòu)而制成的。
20.根據(jù)權(quán)項(xiàng)10的方法,其特征在于各生坯片各自備有一些通孔以及填入這些通孔中的軟膏。
專利摘要
本發(fā)明涉及莫來石陶瓷多層基片,更具體地涉及適用于安裝諸如各種LSI芯片等小型電子元件的莫來石陶瓷多層基片,其目的在于提供一種在基片各表面上有高接合面可靠性的鍍膜層的莫來石陶瓷多層基片和生產(chǎn)該基片的方法,其特征是,在各布線導(dǎo)體上形成由鎳和硼組成的鍍膜層、用于保護(hù)各布線導(dǎo)體或各電子元件的焊接面。利用這種結(jié)構(gòu),能夠避免在各引線端部處鍍膜的隆起和基片各表面上出現(xiàn)裂紋。
文檔編號(hào)H05K3/24GK87108030SQ87108030
公開日1988年6月29日 申請(qǐng)日期1987年11月25日
發(fā)明者石原昌作, 藤田毅, 黑木喬, 槌田誠一, 戶田堯三 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan