MULTI-LAYER DIELECTRIC SUBSTRATE

Abstract: 1. Multi-layer dielectric substrate formed of a plurality of dielectric layers (1) and comprising a plurality of conductor runs (3) extending between adjacent layers (1), characterized in that the two ends of each conductor run (3) terminate at least at one edge of the associated layer (1), thus forming terminals, whereby the ends (34) for connection to semiconductor devices constitute a fine grid pattern (33 and 8, respectively) and the other ends (36) constitute a coarse grid pattern (9A) from which distribution lines (40) extend to an even coarser grid pattern (41).

Description: Vielschichtiges, dielektrisches Substrat Die Erfindung bezieht sich auf ein vielschichtiges, dielektrisches Substrat. Da integrierte Schaltungen immer grossflächiger werden und an dieselben immer höhere Betriebsanforderungen gestellt werden, wird es notwendig, elektrische Zwischenpackungen vorzusehen, die den Betriebsanforderungen dieser Schaltkreise gerecht werden. Um dichtere Schaltkreise zu erhalten, wurde der Versuch unternommen, vielschichtige Glas-, Keramikoder keramische mikroelektronische Strukturen zu verwenden, die zusammengesetzte, dielektrische Körper aufweisen, welche elektrisch verbundene leitende Muster besitzen, in einer Mehrzahl von horizontalen Ebenen. Ein übliches Verfahren zur Herstellung solcher vielschichtiger, dielektrischer Substrate schliesst die Bildung keramischer oder glaskeramischer Partikel in einer Masse aus einem Bindemittel und einem Lösungsmittel ein, die Bildung der Masse aus einem Schlamm mit Umwandlung durch Eindampfen des Lösungsmittels in ein flexibles Schichtblatt von erforderlicher Grösse, das als nicht verarbeitetes Ausgangsblatt bezeichnet wird, die Bildung von Anschlusslöchern und Durchgangslöchern an vorher bestimmten Stellen in separaten Schichtblättern, das Niederschlagen einer Elektrodenpaste auf gewünschten Flächen der separaten Schichtblätter gleichzeitig in den Durchgangslöchern, das Ubereinanderlagern der Schichtblätter mit erforderlicher Justierung und das Brennen der übereinandergeschichteten Blätter zum Ausbrennen des Binders und zum Sintern der dielektrischen Partikel und zur Verwandlung der Paste in elektrische Leiter, wodurch sich ein monolithischer Aufbau ergibt. An einem geeignetem Punkt des Herstellungsverfahrens werden Kontakt stifte in die Anschlusslöcher zur Herstellung elektrischer Wege von diesen Leitern zu externen Schaltungen eingebettet. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist in den US-Patentschriften 3 518 756 und 3 988 405 und in dem Aufsatz "Ein Herstellungsverfahren für vielschichtige keramische Moduls" von H. D-. Kaiser, "Solid State Technologie" vom Mai 1977, Seiten 35 bis 40 und im Aufsatz "Die dritte Dimension in Dickfilmvielschichttechnologien" von W. L. Clough "Mirco Electronics" Vol. 13, Nr. 9 (1970) Seiten 23 bis 30 beschrieben. Obwohl die vorgenannte Technik Anerkennung fand, ist sie bei kontinuierlicher Zunahme der Dichte der integrierten Schaltungen grossen Begrenzungen unterworfen. Diese Situation erfordert eine erhöhte Komplexität der inneren metallurischen Muster, die in dem vielschichten, dielektrischen Substrat oder Modul eingebettet sind, hinsichtlich der Anzahl der erforderlichen Leiterschichten zusammen mit der Anzahl von zwischenverbindenden Durchgangslöchern und der erhöhten Anzahl von Anschlussstiften, die zur elektrischen Verbindung mit einer entsprechend erhöhten Anzahl von Kontaktpunkten auf aktiven Flächen der integrierten Schaltungsvorrichtung erforderlich sind. Solche Strukturen sind auch charakterisiert durch Durchgangswulste, welche die Ebenheit der Strukturen beeinträchtigen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein vielschichtiges, dielektrisches Substrat zu schaffen, das zur Aufnahme und elektrischen Verbindung von integrierten Schaltungsvorrichtungen von hoher Schaltungselementdichte geeignet ist. Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 übereinandergelagerte, dielektrische, nicht verarbeitete, rohe Schichtblätter in schau bildlicher Darstellung, Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Vielleitermuster auf einem nicht verarbeiteten Mutterroh blatt, Fign. 3A Einzelheiten einer Einheit aus übereinander und 3B gelagerten Rohblättern in schaubildlicher Darstellung, Fign. 4A Detailansichten von gebrannten, dielektri bis 4E schen Substraten verschiedener Ausführungs formen, die an verschiedene Anwendungen angepasst sind, Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Aufbaues nach Fig. 1 in schaubildlicher Darstel lung, Fig. 6 eine Ansicht einer Verwendung des Aufbaues nach Fig. 4 im Halbleitergebiet, Fig. 7 eine Ansicht einer Ausführungsform eines eingebetteten Leitermusters, Fign. 8A weitere Ausführungsformen der Erfindung in bis 8c schaubildlicher Darstellung. Die Herstellung eines Vielschichtsubstrates beginnt mit der Vorbereitung einer Vielzahl von dielektrsichen, nicht fertig verarbeiteten, sog. Rohschichtblättern 1 in einer Form, die für das Aufbringen eines Metallbelages geeignet ist. Wie bekannt, umfasst das Vorbereiten der dielektrischen, rohen Schichtblätter 1 (Fig. 1) das Mischen von fein verteilten Partikeln aus Glas, Glaskeramik oder Keramik und anderen chemischen Zusätzen, wie organischen Lösungsmitteln und Bindemitteln, die in Streifen gegossen werden, die nach dem Verdampfen des Lösungsmittels schmiegsame Rohblätter bilden. Bis diese Blätter und die darin enthaltenen Partikel durch Trennen zusammengesintert sind, werden sie rohe Schichtblätter genannt. Für die Herstellung von vielschichtigen, rohen Schichtblättersubstraten wird ein noch unentwickeltes Leitermuster 2 auf den rohen Schichtblättern durch irgendein additives oder subtraktives bekanntes Verfahren aufgebracht. Beispielsweise kann das Muster gebildet werden durch Aufdampfen einer überdeckten Schicht eines leitenden Metalles auf das rohe Schichtblatt, gefolgt von der Zeichnung des gewünschten Musters durch photolithographische Verfahren. Alternativ kann das Muster auf bestimmten rohen Schichtblättern aufgebracht werden durch Siebdruck mittels einer Elektrodenpaste, die nach dem Brennen in ein Leitermuster umgewandelt wird (z. B. US-Patentschrift 3 456 158). Das Leitermuster 2 besteht aus einer Mehrzahl von Leiterbahnen 3, die einander benachbarte Endteile 4 aufweisen, die an einer Kante 5 des rohen Schichtblattes enden, wo sie Kontaktpunkte eines Eingangsrasters 8 (Fig. 4A) bilden, das übereinstimmt mit entsprechenden Kontaktfeldern auf der Oberfläche eines integrierten Schaltungschips 6 (Fig. 6). Die Leiterbahnen 3 laufen auseinander, um benachbarte, gegenüberliegende Enden an einem vergrösserten Ausgangs raster 9 (Fig. 4B) zu bilden, die entlang der Schnittlinie 7 angeordnet sind, welche die gegenüberliegende Kantenfläche 61 des rohen Schichtblattes definiert. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, können die rohen Schichtblätter von einem Mutterblatt 9 gebildet werden, indem eine Mehrzahl von Leitermustern 2 gleichzeitig für Durchgangszwecke verwendet werden kann. Die einzelnen rohen Schichtblätter 1 sind erhaltbar durch Trennen entlang der Schnittlinien 7a, vorzugsweise nach dem Laminieren. Die Rasterteilung sowohl des Eingangs als auch Ausgangsrasters erstrecken sich in x-y-Richtungen. Die Rasterteilung in der x-Richtung ist definierbar durch geeignetes Gestalten der Leiterbahnen 3 auf der Oberfläche der rohen Schichtblätter 1. Die Rasterteilung in der y-Richtung ist auf verschiedene Weise erhaltbar. Beispielsweise1 können dieirÏhçn : Schichtblätter gebildet werden aus verschiedener Dicke entsprechend der gewünschten y-Rasterteilung. Alternativ ist die Vielschichtstruktur erhaltbar aus rohen Schichtblättern von gleicher Dicke, die leere Blätter enthalten, die als Zwischenblätter zwischen mit Leiterbahnen versehenen Blättern dienen. Beispielsweise ist das Eingangsraster 8 bildbar mit einer Kontaktpunktteilung von 0,15 mm, die zum Ausgangsraster 9 zu grösser wird und dort eine Teilung von 0,25 bis 3,2 mm ergibt. Durch geeignete Gestaltung der Leiterbahnen und dem Gebrauch von leeren, rohen Schichtblättern 60 kann die Eingangskantenfläche 11 oder die Ausgangskantenfläche 11a eines Vielschichtsubstrats (Fig. 5) mit genügend leeren Schichtblättern versehen werden, um die Verbindung mit anderen elektrischen Elementen, wie Widerständen, Kondensatoren und ähnlichem zu ermöglichen. Die Metallurgie kann auch Grundebenen, Spannungs Verteilungsebenen und Leistungsebenen 15 (Fig. 4D) zwischen leeren Teilen von aneinanderliegenden, rohen Schichtblättern enthalten. In ähnlicher Weise können, wie in Fig. 3B gezeigt ist, die Leitermuster eines oder mehrerer roher Schichtblätter Querbahnen 13 enthalten, um die Metallurgie an eine Energiesammelleitung 12 anzupassen. Es ist klar, dass solche rohen Schichtblätter aus verschiedenen dielektrischen Materialien, wenn gewünscht, bestehen können, um die elektrischen Charakteristika der Struktur zu verbessern. Wenn die Schichten aus vollständig metallüberzogenen, rohen Schichtblättern (z. B. 15) zwischen aufeinanderfolgende Lagen von Leitermusterblätter geschichtet sind, kann eine Serie von Doppelplatten gebildet werden. Die Platten können an jeder Seite der Leiterplatten angeordnet werden und rufen eine elektrische Streifenleiterausführung hervor, die bei elektrischer Vorspannung äquivalente Kondensatorplatten werden. Diese Doppelplatten (z. B. 15) führen verschiedene Funktionen aus: a) Sie erzeugen eine Verminderung des Kopplungsrauschens (Kreuzkopplung), das durch aktive Signal leiter erzeugt wird; b) sie halten die Impedanz von Signal leitern fest; und c) sie liefern Stellen für das physikalische und elektrische Verbinden von Leistungsein- und -ausgängen in paralleler Form in der Nähe des Chips, um die mit der Energiever teilung verbundene Induktanz zu mindern und das "hi"- Rauschen zu vermindern, das bei Aktivierung der Schaltung eintritt. Die Spannung zu diesen Doppelplatten kann so festgelegt werden, um die elektrische Funktion und die physikalische Anordnung von Chip und Träger zu optimieren. Solche Leiterdoppelplatten (z. B. ähnlich zu 15) können in geeigneter Weise verbunden werden, so dass ihre Kapazität eine Entkopplung oder Filterfunktion ergeben kann. Die Doppelplatten können auch entfernt von den Signalleitern in Ebenen angeordnet werden, die normalerweise für elektrische Funktionen nicht verwendet werden (z. B. Fig. 4D). Andere geeignete Materialien (z. B. Widerstandspaste) können bei den rohen Schichtblättern (oder nach dem Brennen) angewandt werden, die innerhalb des Trägers einen Widerstand erzeugen können für derartige Funktionen wie Endwiderstände. Drosseln können in ähnlicher Weise gebildet werden. Die Flächen des Trägers können nach dem Los trennen entlang der Schnittlinien 7 verwendet werden für das Vorsehen einer Oberfläche, über die eine zwischenverbindende Metallurgie 20, 21 und 22 (Fig. 4C, 4D und 4E) anwendbar ist. Diese Flächen können durch Polieren verbessert werden oder durch geeignete Uberzüge, die eine Oberfläche erzeugen, die glatt genug ist für lithographische Verfahren. Leiternasen 23 (Fig. 4D) können vorgesehen werden, um für Trägerdickenver änderungen Kontaktpunkte und Verbindungen herzustellen. Eingangs-Ausgangspuffermetallbeläge 24 können an den Flächen des Trägers vorgesehen werden, um elektrische Verbindungen zu anderen Packungskomponenten zu bilden. Diese Eingangs Ausgangsstrukturen können Kontaktstifte 25 (Fig. 8C), Lötmittelpuffer 26 (zur Chipverbindung, Fig. 6) oder andere Leitermaterialien umfassen. Die Anordnung des Chipträgers in nächster Nähe zur nächsten Schicht 24 (Fig. 6) der Packung zum Zwecke der Minderung der Induktanz ist ein Weg, um in den Genuss der Vorteile der genannten Chipverbindung zu gelangen. Eine angepasste Karte von geringer Ausdehnung, z. B. 27 (z. B. KEVLAR-basierend, Keramik niedriger Ausdehnung) ist verwendbar, um viele der vielschichtigen Träger der Erfindung aufzunehmen. Eine Mehrzahl der vorbereiteten, rohen Schichtblätter werden übereinander gelagert (z. B. Fign. 3A und 5). Die Einheit wird dann in eine Presse eingegeben, die mit ausreichendem Druck eine Verbindung zwischen benachbarten Schichtblättern hervorruft. Die thermoplastische Natur des Binders in den rohen Schichtblättern verursacht, dass die verschiedenen Schichten aneinander festhaften, um einen einheitlichen Körper zu erzeugen. Wenn gewünscht, können einzelne Träger von Chips aus dem Mutterblock geschnitten werden, wenn Mutterschichtblätter 9 verwendet wurden. Der laminierte Stoss kann auch mit vollen oder teilweisen Durchgangslöchern oder Öffnungen versehen werden für Verstiftungsvorgänge als auch mit einer zusätzlichen Metallbeschichtung, wie Wiederverteilungsmustern 20, 21 und 22. Auf jeden Fall sind die laminierten, rohen Schichtblätter in einen Sinterofen eingelegt zum Brennen, wobei der Binder ausgetrieben wird, normalerweise durch Auflösung, gefolgt von Sintern oder Vereinheitlichung der dielektrischen Partikel in Ubereinstimmung mit bestehenden Techniken in eine vereinheitlichte Struktur 62. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 befindet sich das Leitermuster 30 auf dem rohen Schichtblatt 1a in einem Rückweg, wobei die Enden der einzelnen Leiterbahnen 31 an der gleichen Kante der Chipseite 32 des rohen Schichtblattes enden. Wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, sind die Eingänge 34 in einem Raster angeordnet, um ein dichtes Kontaktfeld 35 zu bilden, d. h. Lötmittelhügel sind in Ubereinstimmung mit Kontaktfeldern auf der Oberfläche eines integrierten Schaltungschips 6 angeordnet. In beiden Ausführungsformen ist das integrierte Schaltungschip 6 mit den Leitereingangsenden, z. B. 34, verbunden durch bekannte Verfahren, wie Lötmittel - Rückfluss oder anderes eutektisches Metallbefestigen. Die Leiterbahnen 31 laufen von jedem Eingang 34 aus auseinander in den Rückweg zur Chipseitenkante 32, um Ausgangsanschlüsse 36 mit einer im wesentlichen vergrösserten seitlichen Teilung zu bilden. Auch die erforderliche othogonale Teilung zwischen den Anschlussstellen ist durch Zwischenlegen von leeren, rohen Schichtblättern erzielbar. Die vorbereiteten, rohen Schichtblätter werden dann aufeinander gestapelt und unter Druck zu einem Laminat verbunden. An diesem Punkt kann die Wiederverteilungsverdrahtung auf der Chipscitenflächen des Laminats zwischen den Ausgangsanschlüssen 36 und den Ausgangspunkten 41 mit einer vergrösserten Rasterteilung metallisiert werden. Es ist klar, dass die Wiederverteilungsverdrahtung 40 vor oder nach dem Trennen des Laminats aufgebracht werden kann. Um die Schaltung von der Chipseite des Laminats nach seiner Rückseite auszudehnen, können geeignete, leitende Durch gangsleitungen 45 auf den rohen Schichtblättern an den Ausgangspunkten 41 überzogen werden. Alternativ können Durchgangslöcher (von der Chipseite zur Rückseite des Trägers) durch das Laminat gelocht werden für das Einsetzen von Kontaktstiften 25, und zwar nach dem Brennen. Auf jeden Fall wird dann das Laminat aus rohen Schichtblättern bei Temperaturen gebrannt, die ausreichen, um das Bindemittel auszubrennen und zu sintern oder die dielektrischen Partikel zu vereinheitlichen. Zu diesem Zeitpunkt können, wenn die Wiederverteilungsverdrahtung 40 nicht verwendet wurde, die Vorder- und Rückseiten poliert werden, zum photolithographischen oder auf andere Weise vorzunehmenden Aufbringen der Wiederverteilungsverdrahtung auf der gebrannten Struktur. Die Struktur kann vervollständigt werden durch Zusatz von Kontaktstiften 25 entweder durch Einsatz in Durchgangslöcher an den Ausgangspunkten 41 oder an den Rückseitenanschlüssen der Durchgangsleitungen 45.

Claims: P A T E N T A N 5 P R U c H E 1. Vielschichtiges, dielektrisches Substrat, gekennzeichnet durch einen aus einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten (1) zusammengesetzten und zu einer Einheit verbundenen dielektrischen Körper mit einer Mehrzahl von Leiterbahnen (3), die sich zwischen benachbarten Schichten (1) erstrecken und an einer Kante der Schicht Anschlussstellen freigelegt haben, mit denen Halbleiter vorrichtungen elektrisch verbunden sind. 2. Vielschichtiges, dielektrisches Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (3) sich zwischen gegenüberliegen den Enden der Schicht (1) erstrecken, wobei die An schlussstellen an einer Seite der Oberfläche ein Raster (8) aufweisen, das den Anschlussstellen der Halbleiter vorrichtungen entspricht und von dieser Seite aus ge sehen auseinanderlaufen, um an der gegenüberliegenden Seite ein Raster (9A) von Anschlussstellen zu bilden, mit einer gegenüber dem zuerst genannten Raster grösseren Teilung. 3. Vielschichtiges, dielektrisches Substrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Anschlussstellen des Rasters (9A) mit grösserer Teilung Kontaktstifte (25) verbunden sind. 4. Vielschichtiges, dielektrisches Substrat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Fläche mit dem Anschlussraster (9A) von grösse rer Teilung zwischen ausgewählten Anschlussstellen Ver teilungsleitungen (40) sich erstrecken. 5. Vielschichtiges, dielektrisches Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (3) sich von einer Seite der Schicht zur anderen und wieder zurück erstrecken, wobei An schlussstellen mit einer vorher bestimmten Teilung (33) entstehen und an einem anderen Teil, der aus den einzel nen Schichten zusammengesetzten Fläche ein zweites An schlussraster (36) durch die Rückbahnen gebildet ist, das einen grösseren Teilungsabstand aufweist, dass auf der genannten Fläche ein Muster von Verteilungsleitern (49) vorhanden ist, von denen ein jeder mit seinem einen Ende mit dem einen grösseren Teilungsabstand auf weisenden Raster (36) und mit seinem anderen Ende mit weiter voneinander entfernten Kontaktpunkten (41) eines dritten Teiles der genannten Fläche verbunden ist, die einen Teilungsabstand aufweisen, der grösser ist sowohl als der des ersten Anschlussrasters als auch der des zweiten Anschlussrasters und dass mit diesen Kontakt punkten (41) Kontaktstifte (25) elektrisch verbunden sind. 6. Vielschichtiges, dielektrisches Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Schichten (1) aus einem Keramik Material bestehen. 7. Vielschichtiges, dielektrisches Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Schichten (1) aus einem Glas Keramik-Material bestehen.

Inventors: DOUGHERTY, WILLIAM EDWIN, GREER, STUART EUGENE
Applicants: INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION
Application year: 1979
Main classification: H05K1
IPC codes: H01L23