Brevet FR2238688A1 — publié le 19750221

La présente invention concerne un procédé perfectionné de fabrication d'une structure frittée composite. Plus particulièrement, elle concerne un procédé de fabrication d'une structure frittée composite constituée par un ensemble de couches et pour l'emploi dans, par exemple, un dispositif de circuit semiconducteur intégré. La fabrication d'une structure frittée composite comme exposée ci-dessus, a été généralement jusqu'ici réalisée de la façon suivante. Comme représenté sur la Fig. 1, des couches conductrices 20, 20' et 20" de configurations voulues sont imprimées sur les surfaces de substrats façonnés séparément et réalisés en un matériau diélectrique, par exemple des feuilles de céramique crue 10, 10' et 10", respectivement. Des trous 30 et 30' sont pratiqués dans des parties d'interconnexions voulues des substrats respectifs, remplir les trous respectifs d'un matériau conducteur. Ensuite, les substrats 10, 10' et 10" sont empilés l'un sur l'autre pour former un corps feuilleté de sorte que les couches conductrices 20,20' et 20 peuvent avoir les interconnexions voulues. Ensuite, l'empilage des substrats est chauffé à une température suffisante pour fritter les substrats et pendant une période de temps déterminée. Ainsi, la structure frittée composite, tel qu'un substrat d'interconnexion de couches multiple et un assemblage d'interconnexion de couches multiples est réalisée. Avec un tel procédé antérieur, toutefois, des problèmes se sont posés, en particulier dans les interconnexions entre les substrats respectifs. Plus spécialement, lorsque le matériau conducteur est introduit dans les trous 30 et 30'~qui sont prévus dans les parties voulues des substrats 10,10' et 10" comprenant les couches conductrices, les trous ne sont pas parfaitement remplis par le matériau conducteur dans certains cas, étant donné qu'ils sont très petits. Pour cette raison, une déconnexion, etc., peut survenir, dae à une interconnexion imparfaite. Les connexions ont été par conséquent d'une fiabilité très médiocre. Bien qu'il existe une technique selon laquelle, afin d'éliminer cet inconvénient, le matériau conducteur devant être introduit, est absorbé sous vide dans les trous, cette procédure accroît le nombre d'opérations de fabrication et a un rendement de fabrication en série médiocre. De plus, avec un tel procédé, des substrats égaux en nombre aux couches d'interconnexion multiples sont nécessaires. De plus, une opération de poinçonnage pour poinçonner chaque substrat selon une forme prédéterminée est nécessaire, qui s'ajoute au nombre d'opéra tions de fabrication. L'opération de pressage à chaud des substrats laminés est également nécessaire. Lors de l'opération de pressage à chaud, à moins que le feuilletage soit parfait, des causes de pièces non conformes, telles qu'une fuite due à une étanchéité à l'air de mauvaise qualité et à des distorsions inévitables des substrats, toutes les deux étant imputables à l'instabilité du feuilletage (adhérence incertaine), sont enclines à se produire. En outre, lors du brûlage ou du frittage, la feuille de céramique peut subir un gauchissement dA à une distorsion de brûlage compte tenu de la différence du coefficient de retrait entre la feuille de céramique crue et la couche conductrice. De plus, la force de liaison entre la couche conductrice métallisée et la feuille de céramique peut devenir inférieure et conduire à l'exfoliation, etc. En conséquence, le processus est relativement compliqué, et le rendement est abaissé. Le coût devient par conséquent élevé. La présente invention a été développée en vue d'éliminer les inconvénients précités. Un des buts de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'une structure frittée composite qui facilite les interconnexions de couches multiples et qui est d'une fiabilité élevée. Un autre but est de proposer un procédé de fabrication d'une structure frittée composite qui permet une économie de trårail. Encore un autre but est de proposer un procédé de fabrication d'une structure frittée composite qui est rendue extrêmement mince, éliminant ainsi un gaspillage de matériau. Encore un autre but est de proposer un procédé de fabrication d'une structure frittée composite de petites dimensions qui possede une construction hermétique exempte de fuite due à une étanché i- té à l'air imparfaite, aux distorsions inévitables des substrats, etc, et qui a une résistance relativement élevée. Un autre but est de proposer un procédé de fabrication d'une structure frittée composite qui élimine la différencè de coefficient de retrait entre une feuille de céramique crue et une couche imprimée durant une opération de frittage, de façon à être exempte de toute distorsion due au frittage. Un autre but est 'de fabriquer une pâte d'impression qui a un coefficient de retrait identique à une feuille de céramique crue, à utiliser pour une structure frittée composite. Un des modes de réalisation fondamentaux de la présente inven tion en vue d'accomplir -Les buteprécités consiste en un procédé de fabrication d1 une structure frittée composite selon lequel une pâte isolante en céramique crue et/ou une pâte conductrice sont déposées sur une feuille de céramique crue sous la forme d'une seule couche et d'un ensemble de couches et selon lequel les matériaux sont simultanément frittés pour former un corps unitaire, le procédé étant caractérisé en ce que la feuille de céramique crue et les pâtes respectives sont constituées d'un matériau céramique pulvérulent inorganique et d'un liant, à la fois le matériau céramique et le liant étant les mêmes pour la feuille et les pâtes, et en ce que le rapport de mélange dans la feuille de céra- mique crue entre le matériau céramique pulvérulent inorganique et le liant est égal au rapport utilisé dans chaque pâte entre le matériau céramique pulvérulent inorganique et le liant. Un autre mode de réalisation fondamental consiste en un procédé de fabrication d'une structure frittée composite selon lequel une pâte céramique crue et/ou une pâte conductrice sont déposées sur une feuille de céramique crue sous la forme d'une seule couche ou d'un ensemble de couches et selon lequel les matériaux sont simultanément frittés pour former un corps unitaire, le procédé étant caractérisé en ce qu'un mélange contenant un matériau céramique pulve- rulent inorganique, un liant et un solvant est préparé, en ce que la feuille de céramique crue est constituée de ce mélange, et en ce que le mélange précité ou un mélange obtenu en substituant seulement le solvant contenu dans le mélange précité à un solvant facile à déposer sur la feuille, est utilisé en tant que pâte céramique crue et que la pâte conductrice contenant une poudre conductrice. Selon la présente invention, les interconnexions des câblages de couches respectives peuvent être effectuées très facilement. De plus, les couches respectives sont formées par l'impression de la pâte céramique et de la pâte conductrice, et les épaisseurs dèq couches peuvent autre contrdlées pour être suffisamment minces. L'épaisseur de la structure frittée composite des interconnexions de couches multiples peut par conséquent être rendue suffisamment plus petites que les structures obtenues avec les procédés de l'art antérieur. Les coefficients de retrait de la feuille de céramique crue et des couches de pâte imprimées sont déterminés par les matériaux, les proportions de mélange, etc. du matériau céramique pulvérulent inorganique, tel que l'alumine, et du liant. En conséquence, si la pâte obtenue avec les mêmes matériau:: et des rapports de mélange égaux et par le même processus de mélange est utilisé pour la feuille et les pâtes, le centrale est encore plus facilité, et des coefficients égaux de retrait sont présentés lors du frittage. Par conséquent, une structure frittée composite excellente est procurée qui est exempte d'exfoliation, déconnexion et fissures des à la différence de retrait. La Figure 1 est une perspective éclatée montrant séparément les feuilles dans le procédé de l'art antérieur, tel que précédemment exposé. La Figure 2 est une vue en coupe d'une structure terminée réalisée selon le procédé de la présente invention. Les Figures 3 et 4 sont des diagrammes de procédé de fabrication de modes de réalisation de la présente invention. La Figure 2 est une vue en coupe montrant le corps terminé d'une structure frittée composite selon la présente invention. Sur la figure,- le chiffre de référence 1 désigne une feuille de céramique, 4 une couche isolante et 2 une couche conductrice. La Figure 3 illustre un processus de fabrication selon la présente invention, Différents blocs montrant chacun une opération de fabrication qui sera expliquée ci-après endétail (1) En tant que matériau céramique inorganique, un mélange est préparé, constitué par de l'alumine (A1203) en tant que constituant principal et par de la poudre de minéraliseurs tels que la silice (SiO2) et la magnésie (X lg o). Les proportions sont, par exemple, 91 % en poids d'A1203, 6,8 P en poids de SiO2 et 2,2 % en poids de Mg 0.En tant que liant pour conférer une propriété de liaison au mélange de matériau céramique inorganique, du Butvar (nom -dépo- sé de Monsanto Co pour le butyral de polyvinyle) est ajouté au mélange. La température de frittage peut être convenablement modifiée par les quantités d'addition des agents minéraliseurs. Généralement, la quantité d'alumine varie de 88 à 95 % en poids de matériau céramique. (2) Le mélange résultant est agité dans un broyeur à boulets pendant environ 30 minutes, pour obtenir ainsi un mélange d'alumine pulvérulente. (3) En tant que solvant pour le Butvar, on en prépare un destiné à gazonner facilement le mélange en une feuille (solvant à bas point d'ébullition), par exemple, un mélange azéotropique (consis tant en 60 Ci en poids de trichloréthylène, 23 % en poids d'alcool butylique et 17 i: en poids de perchloréthyle##ne). in tant que plastifiant pour le matériau céramique cru, on utilise le butyphtalyl butylglycolate. Ces matériaux sont ajoutés et mélangés, conjointement avec le Butvar, dans le mélange de poudre d'alumine dans les proportions de 6 grammes de Butvar, 38 grammes du solvant à bas point d'ébullition et 2,8 grammes du plastifiant pour 100 grammes de matériau céramique (alumine+minéraliseurs). (4) Le mélange visqueux résultant est suffisamment agité dans un broyeur à boulets pendant trois heures, afin d'obtenir une pâte d'alumine. (5) La pâte d'alumine est coulée sur une pellicule d'une résine, par exemple, du Lumirror (nom déposé de Toyo-Rayon Co pour un polyester) de tétron ou de papier d'exfoliation. Ainsi, une feuille d'épaisseur déterminée (approximativement I mm) et de forme voulue, est formée. Ensuite la feuille est chauffée pour volatiliser le solvant à bas point d'ébullition et être séchée pour former une feuille de céramique crue. Les blocs (3)' à (5)" de la Figure 3 concernent les opérations de préparation de la pâte isolante en céramique crue aussi bien que de la pâte conductrice (3)' Au mélange d'alumine pulvérulente réalisé à l'opération (2), sont ajoutés un solvant facile à imprimer (à point d'ébullition élevé), par exemple du butyl carbitol acétate en tant que solvant pour le Butvar, et un plasfitiant pour le matériau céramique cru, le méme que celui utilisé à l'opération (3). Les proportions de mélange sont 2,8 grammes de plastifiant et 38 grammes de solvant à point d'ébullition élevé pour 106 grammes de mélange de poudre d'alumine. (4)' Le mélange visqueux résultant est suffisamment agité dans un broyeur à boulets pendant trois heures afin de donner une pâte d'alumine. La pâte est divisée en deux parties. (5)' Une des parties de pâte d'alumine est utilisée pour confectionner la pâte de céramique crue pour la couche isolante. (5)" Une poudre conductrice, par exemple un matériau pulvérulent d'au moins un des métaux résistant aux températures élevées tels que le tungstène, le molybdène ou le titane, est ajoutée et mélangée à l'autre partie de pâte d'alumine. On réalise de cette manière la pâte conductrice. A ce moment, la résistance du matériau conducteur peut être déterminée en contrôlant la quantité du ou des métaux additionnels. La pâte conductrice et la pâte isolante sont imprimées sur la feui#lle de céramique crue, chacune sous la forme d'une seule couche ou de couches laminées en alternance, par sérigraphie, par exemple. Après chaque opération d'impression, la pâte est séchée à Sooc. La lamination de la feuille de céramique crue et des pâtes -imprimées est chauffée à environ l.450-l.650#C sous atmosphère réductrice par exemple d'un mélange gazeux N2 + H2 ou dans une at mosphre inerte de gaz N2 par exemple. La feuille de céramique crue et la pâte isolante sont alors transformées en céramique cuite et en même temps la pâte conductrice est métallisée. Elles sont également ainsi frittées. Dans le mode de réalisation particulier ci- d?s sus, lors de la formation de la feuille de céramique crue, le solvant destiné à être facilement nappé ou étalé (solvant à bas point d'ébullition) est ajouté au mélange d'alumine. La raison de l'emploi de solvant a bas point d'ébullition est qu'il se volatilise à la température normale, ce qui est commode pour le travail de formation en feuille. En conséquence, l'invention n'est en aucune façon limitée à celui-ci, mais peut également utiliser un solvant à point d'ébullition élevé. A ce moment, le plastifiant est simultanément ajouté dans ce mode de réalisation, afin de faciliter la manipulation de la feuille.Dans le cas d'adjonction du solvant à point d'éoulli- tion élevé, toutefois, l'adjonction distincte du plastifiant peut etre supprimée, étant donné que le solvant à point d'ébullition élevé subsiste dans une certaine mesure 3uisqu'il est difficile de le volatiliser à la température normale, de façon Ç utiliser la partie subsistante en tant que ,zlastifiant. De plus, lors de la formation des pâtes, le solvant destiné à être imprimé facilement (solvant à point d'ébullition élevé) est ajouté au mélange d'alumine. Ceci parce que l'état pâteux est maintenu par l'addition du solvant à poInt d'ébullition élevé, de faion à empêcher l'écran du dispositif sérigraphique d'être colmaté lors de l'impression. En conséquence, si les moyens d'impression ont besoin d'être améliorés pour résoudre ce problème, un solvant à bas point d1ébullltion peut également être utilisé. Un autre mode de réalisation particulier ser#a à présent décrit relativement à un processus de fabrication Illustré à la Figure 4. ( En tant que matériau céramique inorganique, un mélange est réparé dont le principal constituant est l'alumine (Al203) avec des minéraliseurs pulvérulents tels que la silice (six2) et la magnésie (Mg O), les proportions de mélange étant, par exemple, 91 % en poids d'Al203, 6,8 5~ en poids de Sio, et 2,2 % en poids de Mg 0. La température de frittage peut être convenablement modifiée par les quantités d'addition des minéraliseurs. Du Butvar (nom déposé) est utilisé en tant que liant pour cot- férer une propriété de liaison au matériau céramique inorganique. Un solvant à bas point d'ébullition, par exemple un mélange azéotropique (consistant en 60 % en poids de trichloréthylène, 23 F en poids d'alcool butylique et 17 % en poids de perchloréthylène) est préparé en tant que solvant pour le Butvar. Du butylphtalyl butylglycolate est utilisé comme plastifiant pour le matériau~céramique cru. 6 grammes de Butvar, 38 grammes de solvant à bas point d'ébullition et 2,8 grammes de plastifiant sont ajoutés et mélangés dans 100 grammes de matériau céramique (alumine + minéraliseurs), (2) Le mélange résultant est suffisamment agité dans un broyeur à boulets pendant 3 heures afin d'obtenir une pâte d'alumine. (3) La pâte d'alumine est coulée sur une pellicule de résine, par exemple du Lumirror (nom déposé) ou un papier d'exfoliation, pour former une feuille de céramique crue ayant une épaisseur déterminée-(environ 1 mm) et une forme voulue. La feuille de céramique crue est séchée par chauffage en volatilisant ainsi le solvant à bas point d'éBullition. (3)' Dans le cas d'utilisation de la pâte d'alumine pour confectionner les différentes pâtes, si elle n'est pas modifiée, le solvant à bas point d'ébullition s 'évapore à la température normale et elle se solidifie rapidement. Il en résulte un colmatage de l'écran de soie lors de l'impression, et un nettoyafe de l'écran après l'impression est rendu difficile. Par conséquent le solvant à bas point d'ébullition est dans un sens remplacé par un solvant à point d'ébullition élevé, c'est-à-dire que le solvant à bas point d'ébullition est utilisé pour préparer la #âte d'alumine pour la feuille et le solvant à point d'ébullition élevé est ajouté à la pâte d'alumine contenant le solvant à bas point d'ébullition.Par exemple, 120 grammes de butyl carbitol acétate et 0,2 grammes d'huile silicone en tant qu'agent de démoulage (Toray Silicone SH 5520, nom déposé par Toray Co) sont ajoutés à 500 grammes de la pâte d'alumine. La pâte d'alumine avec ses additifs est soumise à un chauffage sous vide (à une température de 80900C, et sous une pression de 10-3 Torr) pour éliminer le solvant à bas point d'ébullition. On obtient ainsi une pâte. La pâte produite par l'opération (3)' peut être utilisée en tant que pâte isolante telle quelle. (3)" Afin de réaliser la pâte conductrice, un matériau pulvéru- lent d'au moins un des métaux résistant aux températures élevées, tels que le tungst#ne, le molybdène et le titane, est en outre ajouté et mélangé à la pâte précédente. La résistance du matériau conducteur est déterminée par la quantité de métal ou de métaux additionnels. Généralement de 50 ,c à 70 0, de la pâte conductrice sont constitués par les métaux additionnels. La pâte isolante et la pâte conductrice sont imprimées sur la feuille de céramique crue chacune sous la forme d'une seule couche, ou sous la forme de couches laminées en alternance, par exemple par sérigraphie. Après les opérations d'impression respectives, les pâtes sont séchées à 800C. La structure laminée de la feuille de céramique crue et des p - -tes est chauffée à environ l.450-I.6500C sous atmosphère réductrice d'hydrogène, par exemple. La feuille de céramique crue et la pâte isolante sont transformées en céramique cuite, et en même temps la pâte conductrice est métallisée, de sorte que l'ensemble est fritté. Avec la structure frittée composite ainsi obtenue et comportant la feuille de -- céramique et la ou les couches isolantes et/ou la ou les couches de métal, les couches respectives utilisent les ma- tériaux provenant du même lot de pulvérisation, et par suite, en particulier les rapports de mélange sont égaux En conséquence, aucune variation n'apparaît dans la température de frittage lors du brayage des matériaux. Par conséquent, les coefficients de retrait concordent parfaitement, et des produits sans aucune distorsion dde au brdlage et avec une force de liaison élevée entre les conducteurs- et le substrat -sont obtenus. Bien que dans les modes de réalisation qui précèdent de la présente invention, les types et les quantités contenues de matériau céramique inorganique de liant, de solvant, etc., soient spécifiés, il va sans dire que l'invention peut convenablement modifier les types aussi bien que les proportions des matériaux sans sortir de son~-cadre ni se départir des revendications annexées. RhBrN3IcATIoNs 1 - Procédé de fabrication d'une structure frittée composite selon lequel une pâte de céramique crue et/ou -une pâte conductrice sont déposées sur une feuille de céramique crue sous la forme d'une seule couche ou d'un ensemble de couches alternées et selon lequel les matériaux sont simultanéent frittés pour former un corps unitaire, caractérisé par la préparation de ladite feuille de céramique crue et desdites pâtes respectives à partir d'un mélange comportant un matériau céramique pulvérulent inorganique et un liant, le matériau céramique et le liant entre ladite feuille et lesdites pâtes étant chacune du même matériau, les proportions de mélange entre ledit matériau céramique pulvérulent inorganique et ledit liant dans la feuille de céramique crue étant égales aux proportions entre ledit matériau céramique pulvérulent inorganique et ledit liant dans chaque pâte. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau céramique inorganique contient de l'alumine en tant que principal ingrédient et des minéraliseurs pour contrler la température de frittage. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau céramique inorganique contient d'environ 88 à environ 95 % en poids d'alumine, le reste étant constitué par des minéraliseurs. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau céramique inorganique contient 91 % d'A1203, 6,8 % en poids de 5102 et 2,2 , en poids de MgO. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit liant comporte du butyral de polyvinyle. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mélange contient également un solvant pour ledit liant et un plastifiant. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit solvant est à bas point d'ébullition. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange utilisé pour réaliser les pâtes contient également un solvant à point d'ébullition élevé pour ledit liant,- ledit solvant étant du type qui soit facile à imprimer. 9 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pâte conductrice contient également une poudre conductrice. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la poudre conductrice est un matériau pulvérulent constitué par au moins un métal résistant aux températures élevées. li - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le métal est du tungstène, du molybdène et du titane. 12 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la pâte conductrice contient de 50 à 70 O environ de ladite poudre conductrice. 13 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille de céramique crue et les pâtes sont frittées à environ l.4500C-l.6500C sous atmosphere réductrice ou inerte. 14 - Procédé de fabrication d'une structure frittée composite selon lequel une pâte de céramique crue et/ou une pâte conductrice sont déposées sur une feuille de céramique crue sous la forme d'une seule ou d'un ensemble de couches et selon lequel les maté riaux sont simultanément frittés pour former un corps unitaire, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations de préparation d'un premier mélange contenant un matériau céramique pulvérulent inorganique, un liant et un solvant; de réalisation de ladite feuille de céramique crue à partir dudit premier mélange; et d'utilisation dudit premier mélange ou d'un mélange obtenu en remplaçant seulement le dit solvant contenu dans ledit premier mélange par un solvant facile à déposer sur ladite feuille comme pâte céramique crue, et comme pâte conductrice contenant une poudre conductrice.