(57)【要約】【課題】低温焼成セラミック材に埋め込み式の孔又はチャネルを形成する方法を提供する。【解決手段】低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）デバイスを形成する方法は、第１のＬＴＣＣテープ層にチャネルを形成することを含む。ワックスがチャネルに挿入される。サックスは、第１のＬＴＣＣテープ層の焼結温度より下の温度で焼き尽くすタイプのものである。少なくとも１つの第２のＬＴＣＣテープ層が第１のＬＴＣＣテープ層の上にスタックされてスタックを形成する。スタックは、第１及び第２の層がラミネートになるよう結合するよう十分に加圧される。ラミネートは、焼結温度で焼成され、第１及び第２のＬＴＣＣテープ層から焼結されたセラミック構造を形成し、ワックスの全部又は略全部がチャネルから焼とばしされる。【選択図】　図１Ａ
2004031919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスを形成する方法であって、
（ａ）少なくとも第１のテープ層に、チャネルを形成する段階と、
（ｂ）上記チャネル内に、融解可能な材料を挿入する段階と、
（ｃ）上記第１のテープ層の上に、少なくとも１つの第２のテープ層をスタックする段階と、
（ｄ）上記第１のテープ層と上記第２のテープ層を十分に加圧し、ラミネートを形成する段階と、
（ｅ）上記チャネルから、上記融解可能な材料の全部又は略全部を除去する段階とを含む方法。
【請求項２】
上記デバイスは、低温焼成セラミックデバイスであり、
上記第１のテープ層及び上記第２のテープ層は、低温焼成テープであり、
上記方法は更に、
（ｆ）上記第１のテープ層及び上記第２のテープ層内のセラミック成分を焼結するのに十分に熱い焼結温度で、上記デバイスを焼成する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記段階（ｅ）は、上記焼結温度より低い温度で、上記溶解可能な物質を焼とばすことを含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
上記融解可能な材料はワックスである請求項１記載の方法。
【請求項５】
上記溶解可能な材料は、ポリプロピレンとパラフィンのブレンドである請求項１記載の方法。
【請求項６】
上記ブレンドは、約５部のポリプロピレンと１部のパラフィンを含む請求項５記載の方法。
【請求項７】
上記融解可能な物質は、上記段階（ｂ）では粒状である請求項１記載の方法。
【請求項８】
上記第２のテープ層は、少なくとも１つの孔を含み、
上記スタックは、上記段階（ｅ）において、上記孔が上記チャネルの下となるよう方向付けられる請求項１記載の方法。
【請求項９】
（ａ）第１のＬＴＣＣテープにチャネルを形成する段階と、
（ｂ）ワックス、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、パラフィン、及び、これらの組合せからなるグループから選択される材料を、上記チャネルの中に挿入する段階と、
（ｃ）上記第１のＬＴＣＣテープの上に、少なくとも１つの第２のＬＴＣＣテープをスタックして、スタックを形成する段階と、
（ｄ）上記第１のＬＴＣＣテープ及び上記第２のＬＴＣＣテープのセラミック成分を、１つの構造となるよう焼結するために、十分に高い焼結温度で、上記スタックを焼成する段階と、
（ｅ）上記チャネルから、上記材料の全部又は略全部を除去する段階とを含む方法によって形成されるデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、ハイブリッド回路に係り、より具体的には、低温焼成セラミック材料を用いて形成されるハイブリッド回路に係る。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッドマイクロ回路用の多層基板は、本願に参考として組込まれる特許文献１に記載されるような方法といった低温焼成セラミック方法を用いて有利に製造され得る。この技法は、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）テープの形である誘電体シートを用いる。テープは、ガラスとセラミック充填材の混合体といった材料を含む。この混合体は、約８５０℃で焼結し、アルミナと似た熱膨張を示す。ＬＴＣＣテープシートは、接地面、信号面、ボンディング面等を形成するよう金属化されるか、又は、ＬＴＣＣテープシートには、相互接続層を形成するために金属化物で充填されるビアが形成される。テープシートは、互いにスタックされて、比較的低いラミネート温度及び圧力で互いにラミネートされ、テープ内のセラミック材料を焼結するよう焼成される。
【０００３】
ハイブリッド回路における電力消費量及び回路密度が増加するのに伴い、一部の場合において、基板に、埋め込み式冷却チャネル又は空洞を設けることが必要となってきている。これらの冷却チャネルに、冷却気体、又は、一部の高出力又は高密度回路の場合、冷却液が流される。ＬＴＣＣ基板に埋め込み式のチャネルを形成する可能性は、ますます小型化している電子システムには重要である。
【０００４】
低温焼成セラミック基板に、埋め込み式の開いた空洞を形成する方法は、非常に困難であった。過去における努力としては、基板を焼結する前に取り除くことが必要である、特別に切られたマイラー（登録商標）スタビライザ及びインサートを用いての多段ラミネーションビルドアップに関連する。
【０００５】
空洞の幾何学形状は、ラミネーション及び焼成過程において保つことが非常に困難である。これらの構造は、ガラス結合剤のガラス遷移温度に達すると、ラミネーション又は実質に働く力（例えば、重力）の下での塑性変形の影響を受け易い。開いた空洞は、ラミネーション及び焼結の際に、たるみする又は崩れる傾向がある。４００マイクロメータ以上の寸法を有する孔又はチャネルを有するＬＴＣＣテープがラミネートされると、孔又はチャネルの上方又は下方のテープは、孔又はチャネルの内側に入り込んで変形してしまう。
【０００６】
上述の問題に対する従来の解決策は、新材料と、プリフォームを形成するための高価なＳＬＡ機器を必要とする。
【０００７】
例えば、非特許文献１は、焼成の間に消えるフュージティブ・フェーズ材料を、橋構造を支持するために使用することを提案する。１つの例として、カーボンブラックがフュージティブ・ベース材料として提案されている。焼結は、中性雰囲気又は僅かに酸化性にされた雰囲気で行われる。炭素の気体化（一酸化炭素又は二酸化炭素を形成するよう酸素と反応させる）は緩慢であり、橋状の又は懸架されたセラミック構造が堅くなるまでにカーボンブラックはほとんどなくなっていない。セラミック構造が堅くなると、加熱炉を空気に開放して、カーボンブラックを焼き払うことが可能である。上述の記事の著者は、カーボンブラックの気体化及び焼結の後、カーボンブラック−結合材の混合体で充填される空洞内の上部層と下部層は平行であることを説明している。
【０００８】
Ｇｏｎｇｏｒａ−Ｒｕｂｉｏ外によって説明される技法の問題点の１つは、カーボンブラックが空洞から完全に排出されない点である。カーボンブラック、又は、カーボンブラックの酸化生成物は、焼成が終了した後でも空洞内に残ったままの場合がある。更に、この方法は、焼成時に雰囲気を細かく制御することを必要とする。更に、カーボンブラックがＬＴＣＣ材料と反応してしまう場合もある。
【０００９】
別の技法では、マイラー（登録商標）又はゴムのインサートが、ラミネーションの前に、チャネルの中に挿入され、ラミネーション後に、基板に形成される穴から機械的に引出される。このインサートの除去は困難且つ時間がかかる。
【００１０】
従来技術における、ＬＴＣＣデバイス用のチャネル形成方法は、現在の基板製造技術に対応しない。或いは、チャネルの任意の幾何学形状に対し十分に適用可能ではない。更に、従来技術は、費用がかかり、正確な形状維持に対し信頼性が十分ではない。
【００１１】
他のパッケージ冷却機構もそれぞれ不利点を有する。表面装着型冷却装置（シンク、ファン等）は、容積の点で効率がよくなく、従って、次世代型の小型化システムには不適切である。シリコン−マイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ＭＥＭＳ）に基づいた冷却システムは、基板上で使用するフットプリントが大きすぎ、好適な電子パッケージング技術に対応しない。
【００１２】
【特許文献１】
米国特許第５，１７６，７７１号
【非特許文献１】
Ｍ．Ｒ．ゴンゴラ・ルビオ外、「メソシステム（ＭｓＳＴ）用の低温焼結セラミックテープ技術の概要」、センサ及びアクチュエータＡ８９（２００１）、２２２−２４１ページ（Ｍ．　Ｒ．　Ｇｏｎｇｏｒａ−Ｒｕｂｉｏ外、「Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｌｏｗ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｔａｐｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｍｅｓｏ−Ｓｙｓｔｅｍ　（ＭｓＳＴ）」、Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ　８９　（２００１），　ｐｐ．　２２２−２４１）
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低温焼成セラミック材に埋め込み式の孔又はチャネルを形成する方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
実験によって、ラミネーションが終了するまで、テープ層のスタックが、直線性を維持するよう支持されると、その支持体は、たるみ、そり、又は、ひずみなく取り除くことができることが示された。従って、テープ層のスタックを、少なくともラミネーション段階が終了するまで支持することが好適である。支持体はその後に取り除くことができる。支持体は、ラミネーション時にチャネルを充填し、且つ、テープのセラミック構成物質を焼結するよう加熱される際に、融解、蒸発、及び／又は、焼とばしされるフュージティブ（ｆｕｇｉｔｉｖｅ）材によって与えられることが好適である。
【００１４】
本発明の例示的な実施例は、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）デバイスを形成する方法に関する。少なくとも１つのチャネルが、少なくとも第１のＬＴＣＣテープ層に形成される。その少なくとも１つの第１のＬＴＣＣテープ層は、例えば、２０以上の層を含む第１のテープサブスタックである。犠牲材料又はフュージティブ材が、チャネル内に挿入される。フュージティブ料は、例えば、小麦粉、コーンスターチ、又はイーストといった有機材料であってよい。好適な材料としては、ワックス、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、パラフィン、及び、これらの組合せが挙げられる。フュージティブ材は、融解可能であることが好適である。
【００１５】
少なくとも１つの第２のＬＴＣＣテープ層が、第１のテープ層（又はサブスタック）上にスタックされる。少なくとも１つの第２のＬＴＣＣテープ層は、例えば、４以上の層を含む第２のテープサブスタックであってよい。第１及び第２のテープ層（即ち、第１及び第２のテープサブスタック）は、十分に加圧されてラミネートを形成する。加圧が終了すると、ラミネートは、フュージティブ材無しでその形状を維持することができる。フュージティブ材の全部又は略全部は、例えば、焼結温度より下の温度における、融解、蒸発、及び／又は、焼き切りの組合せによって、チャネルから除去される。デバイスは、第１のテープ層及び第２のテープ層におけるセラミック構成物質を焼結させるのに十分に熱い焼結温度で焼成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１Ａ乃至図４Ｂは、ＬＴＣＣデバイスを形成する方法の一例を示し、デバイス４００は、この方法によって形成される。結果として得られるデバイス４００は、冷却液又は他の使用法に好適な埋め込み式のチャネルを有する。本願にて使用する「チャネル」という用語は、様々な形状及びアスペクト比を有する通路、溝、又は管を意味するものである。チャネルは、直線（例えば、チャネル１０４）であっても、又は、角度、曲線、楕円、円形、不規則な形状部分、又は、これらの任意の組合せ（例えば、チャネル１０５）を含んでよい。チャネルは、テープ基板の端部まで延在する（例えば、チャネル１０４）か、又は、チャネルの端部が基板の内側に埋め込まれても良い（例えば、チャネル１０５）。
【００１７】
チャネルは、チャネルが形成される各テープ層において同一の水平方向の寸法を有し、それにより、垂直なチャネル壁が形成され得る。そのような多層構成における垂直断面は、矩形のチャネル断面を含む。或いは、チャネルは、２つ以上のテープ層の夫々において、２つ以上の異なる断面を有する場合もある。そのような多層構成における垂直断面は、例えば、「Ｌ」字型又は溝型といった非矩形の多角形路を含む。
【００１８】
図１Ａは、チャネル１０４及び１０５が形成されたテープ層（又はサブスタック）１０２を含む例示的なＬＴＣＣテープ構成１００を示す平面図である。図１Ｂは、図１Ａの線１Ｂ−１Ｂについてのテープ構成１００の断面図を示す。チャネル１０４及び１０５は、機械加工（例えば、ミリング、切削、又は、スタンピング）といった従来の方法、又は、フォトリソグラフィック技術によって形成され得る。この例では、テープ層（又はサブスタック）１０２は、テープ層１０２の下部が、チャネルの底となるようミリングされる。チャネル１０４及び１０５は、テープ層１０２を完全にスタンピングされる、又は、切削される場合、テープ層１０２の下にある下部層１０１が、チャネルの底となる。
【００１９】
「ＧＲＥＥＮ　ＴＡＰＥ（商標）」として当該技術において既知である好適なＬＴＣＣは、デラウェア州のウィルミングトンのＤｕＰｏｎｔ社から市販されている。テープは、約８５０℃乃至９００℃で焼結し、アルミナと似た熱膨張を示す、ガラスとセラミック充填材の混合体であってよい材料形成を含む。低温処理は、空気焼成レジスタと、金、銀、及び、それらの合金といった貴金属の薄膜導体とを使用することを可能にする。他のテープシステムも使用し得る。例えば、他のＬＴＣＣシステム又は高温焼結テープ材料も使用し得る。
【００２０】
図２Ａは、チャネル１０４及び１０５に、フュージティブ材１２０が充填されたＬＴＣＣテープ構成２００を示す平面図である。図２Ｂは、図２Ａの線２Ｂ−２Ｂについての充填されたテープ構成２００の断面図を示す。この例では、フュージティブ材１２０は、好適にはワックスである融解可能な材料である。フュージティブ材１２０は、その性質において、粒状か、熱可塑性か、又は、熱硬化性である。例示的なワックス１２０は、ポリプロピレンとパラフィンの混合体といったポリブレンドである。或いは、パラフィンとポリプロピレンの組合せ、又は、パラフィンとポリスチレンの組合せが好適な材料として使用され得る。
【００２１】
当業者は、フュージティブ材がデバイスから完全に除去される所望の温度を達成するようポリブレンドの構成物の比率を選択することができる。好適な実施例では、ポリブレンドは、約５部のポリプロピレンと１部のパラフィンを含む。ポリスチレン又はポリエチレンを含むポリブレンドにも似たような比率を用いることができる。フュージティブ材１２０は、ＬＴＣＣテープ層１０２の焼結温度より下の温度で焼き尽きるタイプであることが好適である。例示的なポリプロピレン及びパラフィンのポリブレンドの場合、約５５０℃乃至６００℃の温度に達すると、このフュージティブ材は完全に焼とぶ。この温度は、焼結温度より十分に下である。
【００２２】
フュージティブ材１２０は、図２に示すように粒状で挿入され得る。或いは、フュージティブ材１２０は、チャネル１０４及び１０５に適合するよう形付けられるプリフォームとなるよう、シートから切り出される、又は、押抜きされる。プリフォームは、チャネル１０４及び１０５に挿入される。もう１つの案として、フュージティブ材が熱硬化性の材料である場合、フュージティブ材は液体又はペースト状でチャネル内に流し入れられるか又は拡散され得る。そして、比較的低温で硬化される。プリフォームは、モールド成形されてもよい。別個にモールド成形可能な材料の例としては、例えば、室温の加硫剤（ＲＴＶ）材料といったシリコン接着剤である。
【００２３】
図３Ａは、もう１つのＬＴＣＣテープ構成を示す平面図であるが、ここでは、孔１４０を有する少なくとも１つの第２のＬＴＣＣテープ層（又はサブスタック）１０３が、第１のＬＴＣＣテープ層１０２上に加えられてスタック３００を形成する。図３Ｂは、図３Ａの線３Ｂ−３Ｂについてのスタック３００の断面図である。この例では、孔１４０は、デバイス４００の動作時に、チャネル１０４及び１０５に冷媒を入れたり、又は、チャネル１０４及び１０５から冷媒を出したりするために使用される孔と同じものである。従って、フュージティブ材の排出を可能にする為の孔を追加する必要はない。冷媒を通すためではなく、フュージティブ材を排出する為の追加の孔を設けることも可能である。
【００２４】
ラミネーション段階において、スタックは、第１の層１０２と第２の層１０３が結合されてラミネートとなるよう十分に加圧される。加圧力は、平衡の、半平衡の、又は、一軸の力であってよい。一般的なラミネーション温度及び圧力は、７０℃乃至８０℃において、約３，０００ｐｓｉである。この低温において、様々な層１０１乃至１０３が互いに密着するが、材料はまだ焼結していない。しかし、ラミネートは、材料１２０が取り除かれても、その形状を、たるみ、そり、又は焼結ゆがみなく維持することが可能である。
【００２５】
スタックは、フュージティブ材１２０を除去するのに最適化された位置に、ラミネーション及び焼結の為に方向付けられる。例えば、フュージティブ材が融解可能な材料である場合、スタック３００は、ラミネーション及び焼結の間は、層１０３を下にして（孔１４０が、チャネル１４０及び１５０の下となるように）方向付けることができる。これによって、材料１２０の第１の部分が融解し、焼成の間に、ＬＴＣＣテープ１０３に形成された１つ以上の孔１４０から排出することを可能にする。１つ以上の孔１４０から排出されなかった材料１２０の第２の部分は、焼成の間に焼きとばされる。焼成される間に、フュージティブ材は、脱ガスされた低いモル質量の構成物質（例えば、一酸化炭素、二酸化炭素）に分解される。融解しない、又は、簡単に排出しない材料の場合でも、スタックは、孔１４０がチャネルの下側になるよう方向付けられ、それにより、空気より重い分解生成物が、より容易に排出できるようにする。
【００２６】
図４Ａは、焼成後の焼結したデバイス４００を示す平面図である。図４Ｂは、図４Ａの線４Ｂ−４Ｂについてのデバイス４００の断面図である。ラミネート３００は、十分に高い焼結温度で焼成されて、第１及び第２のＬＴＣＣテープ１０２及び１０３のセラミック成分は一体構造４０２となるように焼結される。焼成段階において、材料１２０の全部又は略全部が、融解、蒸発、及び、焼とばしの組合せによって、チャネルから除去されることが好適である。例示的なフュージティブ材は、５５０℃乃至６００℃に達すると、完全に焼とばされるので、組立体４００を焼結温度（例えば、８００℃乃至８５０℃）に加熱することによって、材料１２０が完全に除去されることが確実にされる。
【００２７】
本発明の例示的な方法は、多段ラミネーションを排除することによってＬＴＣＣ製造方法を単純化する。それにより、製造費（必要な労働に関して）を減少することができる。この例示的な方法は、負のモールドといったインサート材料を用いることによって幾何学形状を維持する。材料１２０は、製造過程において形状に影響を与える段階における温度及び圧力に耐え、且つ、一般的なＬＴＣＣ焼成処理において完全に焼とばされることが可能であるので、本発明の方法は、実質的に、基板における全ての空洞は変形しない。例示的な方法は、低費用の材料を用い、更に、製造工場において一般的に利用可能である以外の追加の機器を必要としない。
【００２８】
従って、デバイス４００は、以下の段階を含む方法によって形成される。即ち、第１のテープ層（又はサブスタック）１０２にチャネル１０４を形成する段階と、融解可能な材料１２０をチャネル内に挿入する段階と、少なくとも１つの第２のテープ層（又はサブスタック）１０３を少なくとも１つの第１のテープ層上にスタックする段階と、第１のテープ層及び第２のテープ層を十分に加圧して、融解可能な材料無しでその形状を維持することのできるラミネート３００を形成する段階と、融解可能な材料の全部又は略全部をチャネルから除去する段階。
【００２９】
デバイス４００は更に、以下の段階を含む方法によっても形成される。即ち、第１のＬＴＣテープ（又はサブスタック）１０２にチャネル１０４を形成する段階と、材料１２０（材料は、例えば、ワックス、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、パラフィン、又は、これらの組合せから選択される）をチャネル内に挿入する段階と、スタックを形成するよう、少なくとも１つの第２のＬＴＣＣテープ（又はサブスタック）１０３を第１のテープにスタックする段階と、十分に高い焼結温度でスタックを焼成して、第１のＬＴＣＣテープ及び第２のＬＴＣＣテープのセラミック成分を、一体構造４００となるよう焼成する段階と、材料の全部又は略全部をチャネルから除去する段階。
【００３０】
上述した例示的な方法は、現在の基板製造技術に対応することができ、というのは、デバイスは、高密度電子相互接続を有する同一のセラミック基板上に製造することが可能だからである。本発明は様々に適用でき、任意の幾何学形状を有するチャネルを可能にするので、新しい適用への扉を開いている。例示的なデバイスは、密閉されていると考えられる、ＬＴＣＣで製造される。本発明の方法は、低費用の解決策を提供し、他の既知の技術より少ない追加の労働を必要とする。実験によって、ラミネーション及び焼成に際にチャネル形状を維持する点において、信頼度が高いことが示されている。
【００３１】
例示的なチャネルは、液体の冷媒を流すものとして使用されるが、チャネルは、気体で冷却される基板に使用してもよく、例えば、埋め込み式ヒートパイプが挙げられる。上述に説明した例は、高密度のエレクトロニクス及び小型システムの冷却に関するが、本発明の方法は、アンテナ設計及び制御や、導波管製造のチャネルにも使用できる。本発明の方法は、シリコンＭＥＭＳから基板まで、流体のインタフェースを含む任意の適用に用いることが可能である。
【００３２】
本発明は、例示的な実施例によって説明したが、本発明はそれらに制限されるものではない。むしろ、特許請求の範囲によって、広義的に、本発明の等価物の視野及び範囲から逸脱することなく、当業者によって形成され得る、本発明の他の変形も含むものであると見なすべきである。
【００３３】
米国政府は、本発明の実施権を一括払い込みしており、一定の状況下において、高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）により与えられた（契約書番号ＳＡ２３６９−２３１２２ＰＧ）の条項に規定される合理的な条件に基づいて、出願人が他者に実施許諾することを要求する権利を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】チャネルが形成された例示的なＬＴＣＣテープ構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの線１Ｂ−１Ｂについて切取られた断面図である。
【図２Ａ】チャネルに材料が充填されている図１Ａに示すＬＴＣＣテープ構成を示す平面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの線２Ｂ−２Ｂについて切取られた断面図である。
【図３Ａ】孔を有する上部層が追加された図２Ａに示すＬＴＣＣテープ構成を示す平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの線３Ｂ−３Ｂについて切取られた断面図である。
【図４Ａ】焼成後の図３Ａに示すＬＴＣＣテープ構成を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの線４Ｂ−４Ｂについて切取られた断面図である。
【符号の説明】
１００　ＬＴＣＣテープ構成
１０１　下部層
１０２　テープ層
１０３　第２のＬＴＣＣテープ層
１０４　１０５　チャネル
１２０　フュージティブ材
１４０　孔
【図１Ａ】
2004031919.tif 000003
【図１Ｂ】
2004031919.tif 000004
【図２Ａ】
2004031919.tif 000005
【図２Ｂ】
2004031919.tif 000006
【図３Ａ】
2004031919.tif 000007
【図３Ｂ】
2004031919.tif 000008
【図４Ａ】
2004031919.tif 000009
【図４Ｂ】
2004031919.tif 000010