Verfahren zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte

Als Substrat für Module und als Systemträger für ganze Schal¬ tungsarchitekturen werden neuerdings keramische Substrate eingesetzt, die die Kunststoffleiterplatten ersetzen. Die ke¬ ramischen Substrate haben den Vorteil, dass sie mechanisch stabil sind, mittels mikromechanischer Strukturierungstechni- ken hergestellt und auch mit ungehäusten Bauelementen be¬ stückt werden können. Darüber hinaus sind keramische Mehr¬ schichtsubstrate bekannt, bei denen zwischen dielektrischen keramischen Schichten Metallisierungsebenen vorgesehen sind, in denen durch Strukturierung passive Komponenten und Ver- schaltungsstrukturen realisiert werden können. Außerdem sind Verfahren bekannt, um keramische Modul- oder Systemträger mitsamt der darauf aufgebrachten Bauelemente hermetisch zu verkapseln. Aufgrund der hohen Dichtigkeit der keramischen Substrate weisen solche verkapselten Module eine hohe Dich¬ tigkeit gegenüber Gasen und Feuchtigkeit auf.

Das Aufbringen von Bauelementen auf keramischen Substraten kann mittels unterschiedlicher Verbindungstechniken erfolgen. Bekannt sind beispielsweise SMD-Verfahren, Flip-Chip- Anordnungen und Drahtbond-Techniken. Die beiden letzten Ver¬ fahren sind auch mit ungehäusten Bauelementen, sogenannten bare dies durchführbar. In beiden Fällen ist es dabei erfor¬ derlich, bondbare metallische Oberflächen auf dem keramischen Substrat zur Verfügung zu stellen. Für die Bestückung der ke¬ ramischen Substrate mit den Bauelementen in Hochgeschwindig¬ keitsautomaten innerhalb einer Fertigungsstraße werden hohe Anforderungen an die Ebenheit der Bondflächen gestellt. Als Problem tritt dabei auf, dass die für keramische Substrate bislang eingesetzten Bondflächen diesen Anforderungen nicht genügen. Bislang wurden Bondflächen mittels Siebdrucktechni¬ ken von metallhaltigen Pasten und Einbrennen dieser Pasten erzeugt, was zu raue Oberflächen liefert. Zusammen mit dem keramischen Anteil dieser aufgedruckten Bondflächen wird so die Haftfestigkeit von Bonddrähten oder darauf aufgebondeter Bumps reduziert. Dies hat zur Folge, dass entweder die Bestü¬ ckungsgeschwindigkeit zu reduzieren ist oder Abstriche bezüg¬ lich der Haltbarkeit zu hergestellter Bondverbindung in Kauf genommen werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah¬ ren zum Herstellen keramischer Leiterplatten anzugeben, wel¬ ches bezüglich der genannten Probleme verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfah¬ rens sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung schlägt vor, zur Herstellung einer keramischen Leiterplatte von bisher eingesetzten Aufdrucken von metall¬ haltigen Pasten abzusehen und die Metallisierung für die Bondflächen direkt aus einer Lösung auf dem keramischen Sub¬ strat abzuscheiden.

Auf diese Weise gelingt es, eine sehr gut leitende, gut haf¬ tende und außerdem gut bondbare Oberfläche herzustellen. Dar¬ über hinaus ist die Rauigkeit so hergestellter lötbarer An¬ schlussflächen gegenüber den bekannten reduziert. Als weite¬ rer Vorteil ergibt sich, dass mit Hilfe der direkten Metall- abscheidung feinere Metallstrukturen auf dem keramischen Sub¬ strat erzeugt werden können, so dass neben den Bondflächen gleichzeitig auch dünne und beliebig strukturierte Leiterfah- nen mit erzeugt werden können. Das Verfahren lässt sich voll integriert und hoch automatisiert durchführen und erfordert gegenüber dem Aufdrucken von Leiterbahnen keine längeren Ver¬ fahrenszeiten.

Das Verfahren ist insbesondere zum Herstellen lötbarer An¬ schlussflächen auf der Oberseite von LTCC-Paneelen geeignet, die innerhalb der mehrschichtigen LTCC-Keramik integrierte Verschaltungsstrukturen und passive Komponenten enthalten können. Mit dem Verfahren können Anschlussflächen erhalten werden, deren Oberflächenrauigkeit gegenüber der LTCC- Oberflache reduziert ist. Doch ist die Erfindung auch bei al¬ len anderen ein- oder mehrschichtigen keramischen Substraten unterschiedlicher Keramiksysteme anwendbar, z.B. bei HTCC.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Metallisierung mittels einer photolithographischen Technik zu den lötbaren An¬ schlussflächen zu strukturieren. Diese Technik ist besonders exakt durchzuführen und ermöglicht die Herstellung feinster Leiterbahnstrukturen. Außerdem können durch photolithographi¬ sche Methoden- auch -geringe Abstände gegeneinander zu i-solie- render metallischer Strukturen sicher eingehalten werden, oh¬ ne dass die Gefahr von Kurzschlüssen zu befürchten ist. Da¬ durch ist es möglich, den Flächenbedarf für Metallisierungen zu optimieren und zu minimieren. Auf diese Weise kann auch die Größe der Bauelemente, beziehungsweise die der auf dem keramischen Substrat aufgebauten Module und Systeme reduziert werden.

Als weiterer Vorteil des photolithographischen Strukturierens ergibt sich, dass damit erzeugte Metallisierungsstrukturen eine definierte Querschnittsform aufweisen, da sie gegenüber aufgedruckten Metallisierungen definierte Kantenwinkel und eine vor allem plane und damit gut bondbare Oberfläche auf¬ weisen.

Das Erzeugen der Metallisierung kann in mehreren Schritten erfolgen. Z. B. wird zunächst ganzflächig eine Grundmetalli¬ sierung direkt auf dem Substrat aufgebracht. Im nächsten Schritt kann die Grundmetallisierung bereits strukturiert werden, wobei vorzugsweise die genannte Photolithographie eingesetzt wird. Möglich ist es natürlich auch, die Struktu¬ rierung direkt durchzuführen, beispielsweise durch Abtragen mittels eines Lasers, durch mechanisches Abtragen oder durch Aufbringen einer Ätzmaske mittels eines Druckverfahrens. In den genannten Fällen wird die Grundmetallisierung an den nicht für die Anschlussflächen und gegebenenfalls auch Lei¬ terbahnen vorgesehenen Stellen entfernt. Anschließend wird auf der strukturierten Grundmetallisierung eine Verstärkungs¬ schicht abgeschieden, die abschließend noch mit einer bondba¬ ren Oberfläche durch Abscheiden einer bondbaren Schicht abge¬ schlossen werden kann. Sämtliche Metallabscheidungen erfolgen aus metallhaltigen Lösungen und können stromlos oder galva¬ nisch durchgeführt werden-- Vorzugsweise-e-rfolgt ■ für-die Grundmetallisierung zunächst eine stromlose Abscheidung eines gut haftenden und homogen abscheidbaren Metalls, beispiels¬ weise eine stromlose Abscheidung einer Kupferschicht. Ist dann eine durchgehende Metallschicht erzeugt, kann diese gal¬ vanisch verstärkt werden, beispielsweise ebenfalls mittels Kupfer.

Wenn auf diese Weise eine Grundmetallisierung in einer struk¬ turierbaren Schichtdicke erzeugt ist, erfolgt die Strukturie¬ rung der Grundmetallisierung. Man erhält dabei die gewünschte Metallisierungsstruktur, die die gewünschten lötbaren An¬ schlussflächen und sonstigen leitfähigen Strukturen umfasst und die in weiteren Schritten selektiv weiter verstärkt wer¬ den kann. Dies kann durch stromlose Verfahren erfolgen, die zur Metallabscheidung selektiv an bereits metallisierten O- berflachen geeignet sind.

Möglich ist es jedoch auch, in einem ersten Verfahrensschritt zunächst eine geschlossene Metallschicht einer relativ dünnen Grundmetallisierung zu erzeugen und anschließend darüber eine Negativmaske der gewünschten späteren Metallisierung aufzu¬ bringen. Dies ist vorzugsweise ebenfalls eine photolithogra¬ phisch erzeugte Maske, die in einer Dicke aufgebracht wird, die der gewünschten gesamten Metallisierungshöhe entspricht. Nach dem Strukturieren der Maske, z.B. einer Photolackmaske liegen die für die Strukturierung vorgesehenen Bereiche der Grundmetallisierung frei und können stromlos oder galvanisch bis zur gewünschten Schichtdicke verstärkt werden.

Anschließend wird die Maske ebenso wie die darunter liegenden Bereiche der Grundmetallisierung entfernt. Diese Verfahrens¬ variante hat den Vorteil, dass die Metallisierungen mit einem beliebig steilen -Kaiitenwinkel erε-sugt werden könne".. Begren¬ zend ist dabei nur der Kantenwinkel, mit dem die Maske er¬ zeugt werden kann. Der Kantenwinkel ist dann nicht mehr von der Anisotropie des Ätzverfahrens bei der Strukturierung der durchgehenden Grundmetallisierung abhängig und erzeugt auch keinerlei Unterätzungen oder schräg auslaufende Kanten. Bei dieser Variante ist es lediglich erforderlich, im letzten Schritt nach dem Entfernen der Lackmaske eine korrosionsbe¬ ständige und bondbare Oberfläche zur Verfügung zu stellen, was durch nachträgliches Aufbringen entsprechender Metall- schichten auf die bereits strukturierte Metallisierung erfol¬ gen kann. Über einer Grundmetallisierung aus Kupfer eignet sich als Verstärkungsschicht insbesondere eine Nickelschicht, die stromlos und selektiv über der Kupferschicht abgeschieden werden kann.

Zur weiteren Verstärkung kann über der Nickelschicht eine Palladiumschicht ebenfalls stromlos und selektiv über der Ni¬ ckelschicht abgeschieden werden. Die bondbare Oberfläche wie¬ derum wird durch chemisches Abscheiden der genannten Palladi¬ umschicht und durch darauf Abscheiden einer relativ dünnen Goldschicht erzeugt. Die Goldschicht ist chemisch innert und stellt eine bondbare Oberfläche zur Verfügung.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird das keramische Substrat und insbesondere das LTCC-Paneel vor dem Erzeugen der Metallisierung gereinigt, wozu beispielsweise eine Sand¬ strahlreinigung eingesetzt werden kann.

Vor dem ersten stromlosen Abscheiden einer Metallisierung ist eine chemische Aktivierung der Oberfläche erforderlich, am überhaupt erst ein stromloses Abscheiden möglich zu mainö*-. Dies kann mit einer bekannten und beispielsweise palladium- haltigen Aktivierungslösung erfolgen.

Zum Strukturieren der Grundmetallisierung insbesondere zum Strukturieren einer als Grundmetallisierung eingesetzten Kup¬ ferschicht kann vorteilhaft eine Eisen (III) -ionenhaltige Lö¬ sung eingesetzt werden, beispielsweise eine Eisen(III)- chloridhaltige Lösung auf wässriger Basis. Dies führt zu ei¬ ner im wesentlichen isotropen Ätzung der Grundmetallisierung, wobei durch die Strukturierung Kantenwinkel erhalten werden, die Schlechtestenfalls 45 Grad betragen. Durch geeignete Technik und insbesondere eine gerichtete Ätzlösungsführung ist es möglich, noch steilere Kantenwinkel beim Ätzen der Grundmetallisierung zu erhalten. Die weiteren galvanischen oder stromlosen Abscheideprozesse führen zu einer konformen Metallabscheidung, bei der vorhandene Strukturen und Winkel gleichmäßig aufgedickt werden. Dabei bleiben Kantenwinkel e- benso wie die flachen Oberseiten der Metallisierungen erhal¬ ten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei¬ spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert . Die Figuren dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu aus¬ geführt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen be¬ zeichnet .

Figuren 1 bis 5 zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung von lötfähigen Anschlussflächen anhand schemati- scher Schnitte durch das Substrat und die Metallisierungen

Figuren 6 bis 9 zeigen verschiedene Verfahrensstufen einer zweiten—Variante der Her:->~ellurig

Figur 10 zeigt ein keramisches Substrat mit einem darauf ge- bondeten Bauelement .

Figur 1 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts ein ke¬ ramisches Substrat, von dem hier zwei keramische Schichten KSl, KS2 dargestellt sind. Die elektrische Verbindung von der Oberseite des Substrats zur Unterseite erfolgt über Durchkon- taktierungen DKl, DK2, wobei zwischen den Keramikschichten KS eine Metallisierungsebene ME ausgebildet ist, die zu Leiter¬ bahnen oder Schaltungsstrukturen oder Schaltungselementen strukturiert sein kann. An der Unterseite des Substrats ste- hen lötfähige Kontakte zur Verfügung. Möglich ist es jedoch auch, die lötfähigen Kontakte LK zusammen mit den lötbaren Anschlussflächen im gleichen Verfahren zu erzeugen. Im ersten Schritt zur Herstellung einer Metallisierung auf der Oberflä¬ che des Substrats erfolgt eine Reinigung des Substrats mit¬ tels eines Sandstrahlverfahrens und eine nachfolgende Akti¬ vierung, beides in der Figur über Pfeile A angedeutet. Bei der Aktivierung wird die Substratoberfläche mit einer palla¬ diumhaltigen Lösung, zum Beispiel einer Palladiumchlorid- Lösung, behandelt. Dabei scheiden sich Palladium-Atome auf der Oberfläche des Substrats ab, die die weitere Metallisie¬ rung katalysieren.

Im nächsten Schritt wird über der aktivierten Oberfläche eine Grundmetallisierung GM erzeugt, indem ganzflächig eine Kup¬ ferschicht abgeschieden wird. Dies kann in zwei Stufen erfol¬ gen, wobei zunächst eine relativ dünne Kupferschicht stromlos abgeschieden wird, die anschließend galvanisch bis auf die gewünschte Dicke von beispielsweise 5 μm-verstärkt wird. Fi¬ gur 2 zeigt das Substrat S rr.it der Grundmetallisierung GM, •wobei der Einfachheit halbfer auf die Darstellung.de.r -Du-rch-? kontaktierungen und der übrigen im Substrat vorhandenen Strukturen verzichtet wurde.

Zur Strukturierung der Grundmetallisierung wird im nächsten Schritt eine Photolackmaske PM aufgebracht, entsprechend dem gewünschten Muster für die Metallisierung belichtet und ent¬ wickelt. Es bleiben die nicht für die Metallisierung vorgese¬ henen Bereiche von der Photolackmaske PM unbedeckt. Figur 3 zeigt die Anordnung in dieser Verfahrensstufe.

Mit der Photolackmaske PM als Maske wird anschließend die Grundmetallisierung GM geätzt, wobei das Ätzmittel in Abhän- gigkeit vom Material der Grundmetallisierung GM gewählt wird. Für eine Kupferschicht hat sich eine Eisen(III) -Ionen haltige wässrige Lösung als vorteilhaft erwiesen. Möglich sind auch andere Ätzmittel, z.B. Salpetersäure HNO3. In den nicht von der Photolackmaske gefertigten Bereichen wird die Grundmetal¬ lisierung bis auf das Substrat entfernt. Anschließend wird die Photolackmaske entfernt, beispielsweise mit einem Lö¬ sungsmittel. Figur 4 zeigt die Anordnung mit der bereits strukturierten Grundmetallisierung SM auf der Oberfläche des Substrats.

Im nächsten Schritt wird die Grundmetallisierung verstärkt. Dazu sind insbesondere stromlose Verfahren geeignet, mit de¬ nen Metall spezifisch auf bereits vorhandene Metallstrukturen SM abgeschieden werden kann, wobei diese verstärkt werden. In einer vorteilhaften Ausführung wird dazu zunächst eine Ni¬ ckelschicht von ca. 5 μm Dicke auf der strukturierten Grund¬ metallisierung SM aufgebracht. Darüber erfolgt stromlos die Abscheidung einer ca. 2 μm dicken Palladiumschicht. Abschlie¬ ßend wird darüber ebenfalls Strom durch eine 0,2 μm dicke Gc-ldschi-cht -aufgebracht,- 'am- die .Metallisierung "mit -einer bondbaren Oberfläche zu versehen. Figur 5 zeigt die mit einer hier als Dreifachschicht ausgebildeten Verstärkungsschicht VS versehene strukturierte Metallisierung SM. Damit sind die lötbaren Anschlussflächen hergestellt, die eine glatte löt- und bondbare Oberfläche aufweisen, die allseitig gegen Korro¬ sion geschützt sind und die einen definierten Kantenwinkel zum Substrat S besitzen.

Gemäß einer zweiten Verfahrensvariante wird auf der Oberflä¬ che des Substrats nach der Aktivierung zunächst eine dünne Grundmetallisierung GM erzeugt, beispielsweise eine dünne Kupferschicht von 50 nm bis 1 μm. Über der Grundmetallisie- rung wird eine Photolackschicht ganzflächig aufgebracht, bildmäßig belichtet und entwickelt, wobei die für die spätere Metallisierung vorgesehenen Bereiche der Grundmetallisierung GM frei bleiben. In diesem von der Photomaske PM- nicht be¬ deckten Bereichen kann die Grundmetallisierung GM nun mit ei¬ nem galvanischen oder stromlosen Verfahren verstärkt werden, wobei die Photomaske PM als Form für Aufwachsen der Metalli¬ sierung VS dient . Auf diese Weise kann eine verstärkende Schicht VS bis zu einer gewünschten Schichtdicke erzeugt wer¬ den. Figur 7 zeigt die Anordnung nach dieser Verfahrensstufe.

Anschließend wird die Photomaske PM- entfernt und ein Ätz¬ schritt durchgeführt, bis die Grundmetallisierung GM an den vorher von der Photomaske PM- bedeckten Bereichen bis auf das Substrat entfernt ist. Dabei wird in Kauf genommen, dass auch von der Oberfläche der verstärkenden Schicht VS eine entspre¬ chende Schichtdicke mit abgelöst wird. Dieser Schwund wird sowohl bei der Strukturierung der Photomaske PM als auch bei der insgesamt aufgebrachten Dicke der Metallschichten mit be¬ rücksichtigt. Figur 8 zeigt die Anordnung mit der so herge¬ stellten.- verstärkten Metallv-sierv-rg.

Als letzter Schritt wird anschließend eine korrosionsbestän¬ dige Schicht und insbesondere eine bondbare Schicht BS über der aus der Grundmetallisierung GM und der verstärkenden Schicht VS bestehenden Metallisierung aufgebracht. Dies kann gegebenenfalls mehrstufig in einem stromlosen Abscheiderpro- zess aus einer metallhaltigen Lösung erfolgen. Figur 9 zeigt die Anordnung mit den so hergestellten lötfähigen Anschluss¬ flächen LA.

Auf die gleiche Art und Weise können auch auf der Unterseite des Substrats die lötfähigen Kontakte LK parallel oder in ei- ner späteren Verfahrensfolge hergestellt werden. Anschließend ist das keramische Substrat, beispielsweise die LTCC- Leiterplatte fertig zur Bestückung mit Bauelementen.

Figur 10 zeigt ein mit einem Bauelement BE bestücktes kerami¬ sches Substrat S, dessen lötfähige Anschlussflächen LA auf der Oberseite des Substrats mit dem erfindungsgemäßen Verfah¬ ren erzeugt wurden. Während das Bauelement B beispielsweise aufgeklebt ist, wird die elektrische Verbindung mit Hilfe ei¬ nes Bonddrahts BD zwischen der lötfähigen Anschlussfläche LA und einer Metallisierung auf der Oberfläche des Bauelements verbunden. Während des Bondvorgangs wird auf den beiden Me¬ tallisierungen je ein Bump BU erzeugt. Aufgrund der geringen Rauigkeit der lötfähigen Anschlussflächen LA und der bondba¬ ren Oberfläche der lötfähigen Anschlussflächen kann die Bump- Verbindung beziehungsweise die gebondeten Bonddrähte in hoher Geschwindigkeit und mit hoher Haftfestigkeit in hochautomati¬ sierten und schnellen Bestückungsautomaten durchgeführt wer¬ den. Damit ist ein keramisches Substrat mit einer erfindungs- gemäß hergestellten lötbaren Anschlussfläche wesentlich ge¬ genüber -ainem bekannten keramischen- Substrat -rait aufgedruck¬ ten Anschlussflächen verbessert und besonders ■für die schnel¬ len Bestückungsautomaten zum Herstellen von Bondverbindungen geeignet . Bezugszeichenliste

S Substrat LK Lötfähige Kontakte DK Durchkontaktierungen KS Keramikschicht ME Metallisierungsebene A Reinigung und Aktivierung GM Grundmetallisierung PM Photomaske SM Metallisierungsstruktur VS Verstärkungsschicht LA Lötbare Anschlussfläche BS Bondbare Schicht BU Bump BE Bauelement BD Bonddraht