专利名称:混合与多层电路的制作方法
本发明涉及广泛的应用范围，特别适用于混台型电路和多层应用，并将特别描述它们在此方面的应用。更特别地，本发明针对在相当低的温度下用粘接玻璃将无氧或脱氧铜台金粘到陶瓷衬底上。在一个实施方案中，将铜台金箔蚀刻形成凸缘，然后将金属电阻条结合到凸缘上，以形成精确的电阻通路，在另一个实施方案中，其上结合有箔的多个衬底互相粘在一起形成多层电路。
随着集成电路(IC)器件(也称为芯片)的密度的不断增大。芯片经常建立在混合型电路上，尽管IC的设计和容量不断改进，混合型电路的技术面保持大体上的稳定。
混合型电路设计的例子已在许多专利中有所描述，包括美国专利第3，200，298号，第3，723，176号，第4，299，873号和第4，313，026号。这种混合型衬底一般是薄而且相当小的陶瓷材料片，如同有机粘台剂相混合并制成未加工基片或衬底的Al2O3。其大小一般限制为约4平方吋的矩形。导电电路可首先用丝网印制电路法将金，玻璃和粘合剂组成的糊剂以所希望的图形制在未加工的陶瓷衬底表面上。把得到的组件在大约850摄氏度下进行烘烤，以首先从胶中除去粘合剂，然后对玻璃和金进行烧结。烘烧后的玻璃-金导体的导电率大约只有金块导电率的60%。电阻由类似的技术加上，即印制电阻糊剂网，并用镍铬合金和碳作为电阻材料。因为电阻几何形状上的多样性，和因为它们成份中的局部变化，电阻必须单独测定，并用激光调整到可接受的电阻范围内，而这是很昂贵和费时的工艺。使用厚膜胶的电阻和电导技术都受到糊剂本身大量变化的损害。同厚膜技术相关的费用阻碍了它在存在有可行的选择方案时的使用。然而，增加IC器件密度的要求则迫使人们更多地使用这种技术。尽管有上面所列举的缺点。
一种可供选择的工艺涉及薄膜技术，其中电阻和导体是真空蒸发或溅射到99%的氧化铝衬底上的。这些技术甚至更贵。这因为电阻和电导的沉积速率很低，而且99%氧化铝衬底材料的价格很高。
为克服对高价的金导体的要求，已进行用铜箔替换金胶的尝试。这种替换的一个优点是能使用干膜光刻胶和通常的印刷电路蚀刻技术来制作更精确的电路。干膜光刻胶和通常的印刷电路蚀刻在与陶瓷衬底相结合的铜层上生产精确的，可重复的和相当细的线的电路的优良技术。例如，用上面提及的技术在3密耳(mil)间隔上制作3密耳的线宽是很容易的。比较起来，由丝网印制金糊剂的结果一般为10密耳线宽和稍宽于10密耳的间隔。而且，价格的对比也大大有利于在铜层上制成的电路。
到现在为止，在还原条件下用玻璃将铜箔焊到氧化铝上的努力总是导致箔上范围产生气泡。这部分是因为通常使用的CDA11000箔，它包含氧化亚铜作为分离相。当在还原气氛下烘烤时，在合金CDA11000中的氧化亚铜得到还原，并产生汽泡，也有人认为产生气泡部分是因为玻璃中夹带有在烘烤循环中未得到充分的逃逸通道的空气。产生气泡对于多层和混合型电路是特别有害的，因为它使陶瓷衬底和铜箔之间的接合很弱，这会导致剥离。而且在蚀刻过程中，蚀刻溶液可以渗进玻璃和箔的交界处的气泡中，而在不希望的位置上对箔进行了蚀刻。
在一种试图消除气泡的尝试中，已试图在氧化条件下进行焊接，如在Burgess等人的题目为“用气体-金属易溶法的金属与陶瓷的直接焊接”的文章中的那样，该文章发表在电化学协会通信固态科学和技术(J.Electroehemieal SoeietySOLID-STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY)，1975年5月号上。这项技术试图利用制在箔上的高温氧化亚铜，虽然这个处理法产生了无气泡产生的良好接合，但它在箔的外表面上形成了高温氧化亚铜膜;这个膜极难去掉。
本发明也涉及多层电路，引线网体阵或侧钎焊组件是其典型例子。引线网体阵是小的多层96%氧化铝板，在各层之间带有导电线路。引线网阵把大规模集成电路所需要的尺寸降到最小，并且允许使用比传统方形组件用更多的引线。侧钎焊组件在结构上类似于引线网阵，只是它与电路的电接触是用钎接在组件侧面的引线。这两种组件的设计都是供3结实、可靠、密封，并且优于陶瓷浸渍的(CERDIP)的组件，因为它们不依赖于引线的玻璃封装。
通常的引线网阵一般包括至少三层由带铸工艺制造的氧化铝。层间电路用丝网印制在氧化铝基片带(96%Al2O3)上的钨或钼锰粉末制成。层间电路的相互连接是通过打在氧化铝基片带上的约为5～10密耳(mil)的孔提供的。连接或通过孔的导体也由钨或钼锰粉末制成。多层氧化铝带和导电通路在大约1550～1600℃的范围内共同焙烧。这样从氧化铝带中除掉聚合粘合剂，并烧结96%Al2O3，并造成电流载体的部分烧结。暴露的导体随后可用无电工艺覆上镍。此后，把镀金引线插头焊接到通孔导体上。
在采用先有技术的引线网阵制作中，有一些费用大的技术问题，最严重的技术问题是在高温烘烤时氧化铝带有很大的体积收缩。这种体积收缩可大到40%，并导致约20%的线收缩。这在确定通过孔相对于引线的位置及通过孔的电接触的维持上产生了严重的问题。在一些情况下，这种收缩大得足以使导电横向电路完全脱开引线。将层间电路制在氧化铝带上的传统丝网印制装置得到相当密并且烧结得很好的电路。然而，与可机械插入的通过孔触头，可能非常松，并只提供频粒子与粒子接触。
过去，带有夹在其内的电路图形的玻璃一陶瓷结构在Spinelli等的美国专利第4，385，202号;Kumar等的美国专利第4，301，324号，Yamada等的美国专利第4，313，026号;英国专利第1，232，621号和英国专利第1，349，671号中已被公布。每一个这些专利与本发明的特别不同之处都在于它们没有说明或提议用相对低温的封装玻璃将脱氧或无氧铜或铜合金箔焊到陶瓷衬底上。
其各层是用本发明的过程构成的多层氧化铝电路板，作为在Jerny Lyman的题为“封装”(Packaging”)文章中公布的一般型的引线网阵是特别有用的，上述文章发表在“电子学”(Electronies)，第54卷，第26号，1981年12月29日上。
本发明要解决的问题是构成具有高温稳定性的混合成多层电路板组件，其中一或多层铜合金箔被粘接到一层或多层陶瓷衬底上，而且在箔层和陶瓷衬底之间不形成气泡或气囊。另一个问题涉及在混合型电路上制造精确并且易于制作的电阻。
本发明的一个优点是提供了改进的混合或多层组件，和制作混合或多层组件的方法，该组件克服了所描述的现有方法和装置的限制和缺点。
本发明的另一个优点是提供了改进的混合或多层电路组件，和制作混合或多层电路组件的方法，该组件带有一或多个具有用玻璃粘接在其上的脱氧或无氧铜合金箔的陶瓷衬底。
本发明的另一个优点是提供了改进的混合或多层组件，和制作混合型或多层电路组件的方法，该组件具有由金属箔构成的电路和电阻，上述金属箔根据本发明的指导接合到电路中。
本发明的又一个优点是提供了改进的侧钎焊组件和制造这种侧钎焊组件的方法，该组件具有制作在无氧或脱氧铜箔上的电路，而上述铜箔用玻璃粘到所述衬底上。
因此，提供了改进的混合或多层电路和制作多层或混合电路组件的方法，该组件包答至少一个上带有用低温粘接玻璃粘接上的脱氧或无氧铜合金箔的陶瓷衬底。铜合金箔可以蚀刻，并且可将金属电阻合金带焊在其上，以提供具有精确电阻的通路。而且，可把箔层用玻璃熔接到衬底上并叠成多层电路。公布了侧钎焊组件和制造该组件的方法。该组件包括用玻璃焊在衬底上的脱氧或无氧铜电路箔。
本发明和本发明的进一步内容将通过图中的最佳实施方案来加以解释。
在附图中图1显示用粘接玻璃熔接到陶瓷衬底上的铜合金属。
图2显示根据本发明的侧钎焊组件。
图3A-3C显示在铜合金属上蚀刻凸缘和在上覆上贵金属层的一系列步骤。
图4显示熔接在两个包覆有凸缘之间的电阻带的侧剖视图。
图5是图4的装置的俯视图。
图6A-6E显示制作多层电路的一系列步骤。
图7A-7D显示制作多层电路的可供选择的一系列步骤。
图8A-8D显示制作多层电路的另一可供选择的一系列步骤。
图9A-9F显示制作多层电路的一系列步骤。
根据本发明的混合型或多层集成电路将参考附图进行描述。图1中，描述了层状组件10，该组件10具有由陶瓷材料构成的衬底12和铜箔构成的覆盖层14。衬底和覆盖层由玻璃16熔接在一起。在制造组件10中，可把一层玻璃加在衬底12的至少一个表面上。然后把覆层14安置在覆有玻璃的表面上，并将组件在还原条件下焙烧，从而使玻璃层熔化成大体连续的薄膜，它将覆层粘接到陶瓷衬底上。最后，电路可蚀刻在覆层上。电路可象图4中所示的那样改成混合电路。另外，该层状组件可同一或更多个类似于组件10的附加薄层叠成如图6E所显示的多层组件。
衬底12可由未焙烧陶瓷片(未加工基片)构成，该陶瓷片可由包括具有约90%至约99%纯度的氧化铝、二氧化硅、碳化硅、氧化铝硅酸盐、氧化锆、锆土、氧化铍的材料及它们的混合物构成。该陶瓷材料最好是96%的商业铝土，它一般包括大约94.5%的Al2O3，其余部分包括二氧化硅、锰、钙和镁。使用上面提到的陶瓷材料的组合及其它所需的陶瓷材料也属于本发明的范围。
覆层14最好是铜或铜合金，它具有大于大约60%国际韧铜标准(IACS)的电导率。这个高电导率的铜合金最好有合金添加剂，上述添加剂占合金的大约不到10%，其余部分是铜。被认为适合于本发明的铜合金的例子包括CDA15100，CDA12200，CDA10200和CDA19400。选用的铜合金覆层材料最好是脱氧箔，象一盎斯箔。采用脱氧铜合金箔对于防止在箔内或在与玻璃16的交界面上产生气泡具有特别的重要性，如将要在此进一步描述的那样。
从无氧铜中选择铜覆层14也属于在本发明的范围，上述无氧铜一般是电解铜，基本不含氧化亚铜并不用剩余的金属的或类金属的去氧剂生产。一般地，无氧铜的成份至少是99.95%的铜银混合物被认为是铜。无氧铜的例子包括CDA10100，CDA10200，CDA10400，CDA10500和CDA10700。
粘接材料16最好是粘接和/或封接玻璃，它在低于大约1000℃的温度下形成可流动的物质。该玻璃进一步选定为既粘附于陶瓷物质又粘附于铜合金履层的玻璃，玻璃可从包括硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐和锌硼硅酸盐玻璃的一组材料中选择，选用的玻璃最好是一般成分为MO-B2O3-SiO2的硼硅酸盐玻璃，其中MO＝Al2O3，BaO，CaO，ZrO2，Na2O，SrO，K2O和它们的混合物。玻璃的膨胀可通过调整成分或通过添加合适的填料如堇青石，β锂青石或硅酸锆等而改变。最好使玻璃具有约50×10-7到约100×107吋/吋/℃范围内的所希望的热膨胀系数(CTE)。更具体地，玻璃的热膨胀系数比衬底的略低，以使粘接玻璃处在压缩状态。例如，用氧化铝衬底，玻璃最好具有约66×10-7到约70×107吋/吋℃的热膨胀系数。玻璃被选为在从约500℃到1000℃的温度范围内，最好在从约600℃到950℃的温度范围内为可流动的物质。
为把玻璃加到衬底上，最好制成玻璃颗粒悬在介质中的悬浮液，该介质便于所申请的方法的应用。例如，玻璃可用粘合剂，如杜邦(Dupont)公司的产品Elvaoite和通常的载体如terpeneol，得到的是具有合适粘度的糊剂或悬浮液，它可用任何传统技术(如丝网板印刷)加到衬底上。或者，玻璃可同悬浮剂(如作为载体的水和膨润土)混合构成用于喷涂或浸渍并有合适粘度的悬浮液。
在制作图1的组件10时，把玻璃悬浮液涂到衬底12的表面18上。随后把衬底和玻璃涂层干燥并加热到约500℃到1000℃的温度，以把玻璃涂层烧结到衬底上。然后，将铜合金箔14的表面20贴在烧结的玻璃涂层16上。随后在还原或隋性气体环境下把整个组件再加热到约500℃到1000℃的温度，以使铜合金箔14粘接到衬底12上。
衬底也可用基本上无孔的薄玻璃预制片粘接到铜箔上。预制片既可粘到箔上也可粘接到衬底上。然后将箔靠到衬底上并焙烧，使玻璃将箔粘接到衬底上。或者，可把玻璃预制片放置在箔和衬底之间。然后对组件进行焙烧。如果希望的话，并置于压力下，从而使衬底接合到箔层上，因为固态玻璃预制片基本上是无孔的，故它能适用在本发明中，用于溶解箔层并制出电路的蚀刻剂不会腐蚀和溶解无孔玻璃。因此在带玻璃预制片的箔上制出的电路可象期望的那样更加精确地制出。
玻璃最好选择没有氧化铝的，因为在还原气氛下焙烧时氧化铅会部分地还原。玻璃中的铅可于蚀刻后在箔中形成短路，从而破坏陶瓷的绝缘性。并且最理想的是玻璃为基本不含氧化铋的，因为后者也会部分还原，并会象前面所描述的那样以类似于铅的方式通过形成短路而降低或破坏绝缘性。
有两个最好用来防止箔产生气泡的重要的步骤。第一，箔最好是无氧或脱氧铜或铜合金。第二，接合最好在还原或隋性气体环境下进行。例如，组件在隋性或还原气体条件下(如氮，含4%氢或氩的氮)进行焙烧。在还原条件下接合时使用脱氧或无氧铜箔来防止在箔中产生气泡。
另一个对于消除产生气泡问题的重要关键是在铜箔确实接合到衬底上以前使任何夹带的气体能够逃出。这个条件可通过在施用铜箔之前在衬底上涂上玻璃并使其来回流动而进行控制。然后，将铜箔放在玻璃涂层上并加热到接合温度，最好同时以从约50到300每平方吋磅的压强将铜箔压贴在玻璃涂层上。在箔和有涂层的衬底之间的气体放出得不充分的情况下，可将涂有薄膜的衬底暴露于适当的真空中，使确实地排除任何剩余的气体和粘合剂。所希望的电路现在可通过将进一步描述的传统技术在接合后的无气泡的箔中作出。
参考图3A-3C，在图示出的步骤其中，包括图1中描述的实施方案的结构可加工成所希望的导电电路。组件10的外表面38首先涂以正的光刻胶，它可包括光崩解型光敏树脂。将规定的对于暴露的光不透明的主掩模材料同光刻胶接触放置。曝光时，只有未被掩蔽的光刻胶层部分得到曝光。然后除去掩膜，将光刻胶显影。光刻胶的暴光部分被去掉，在接着的蚀刻过程中形成铜电路。蚀刻可用任何通常的溶液如FeCl3/HCl铜蚀刻剂实现。组件可用此种方式涂上光刻胶再蚀刻，反复多次以制备成所需要的图形和结构。图3A中，铜层即铜箔经光蚀刻后形成两个凸缘40和42，它们的最外表面38从蚀刻过的箔层上表面44和46延伸出来。
这种保留凸缘的铜箔对于同电子元件(例如这里所描述的电阻)的连接是特别有利的。有关典型的凸缘制作细节参见1984年12月的“电子封装和生产”(Electronie Packaging and Production)第34至39页中Dickson的文章“附加薄片技术处理高密度相互连接”。(Tab Technology Tackles High Density Interconnections”)尽管上文描述了形成凸缘的一个特殊方法，但使用其它任何制造技术，如机械加工来形成凸缘的技术，都属于本发明的范围。
其次，如图3B所示，最好在凸缘的表面作出阻挡层50。如果需要，该阻挡层可部分或全部覆盖箔片的存留表面44和46。注意到图示的阻挡层下延到凸缘部分52和54。制成阻挡层的目的是为了防止铜层和贵金属将覆盖在这里所描述的阻挡层表面上的贵金属之间的扩散。而且，该阻挡层能加强贵金属与选定铜层表面的接合。阻挡层材料可以从镍、钛、氮化硼以及它们的合金中选择。使用任何其它适于阻止选定的相邻金属间相互扩散的阻挡层材料都包括在本发明的范围之内。通过所期望的技术，例如电镀，可使阻挡层覆盖在每个凸缘的表面上，如果需要的话，还可使其覆盖剩下的铜层。
然后，如图3C所示，最好在阻挡层上覆盖贵金属层56，这些贵金属材料可以是金、铂、银、钯及其合金。可使用任何期望的技术如电镀，将贵金属覆盖在阻挡层上。
当导电电路制备完毕后，加装电阻的费用是很昂贵的。如上方所述，当电阻由厚膜涂料来形成时往往需要电学监测及激光微调。本发明公开了制造比较便宜并易于重复制造的电阻的独特技术。明确地说，就是通过某种接合技术，如常规的热压焊，将冲压箔电阻接合在电路的凸缘部分。电阻的箔片最好用传统的金属滚轧方法来制造，这样可使厚度控制在非常小的公差范围内。而且，箔的宽度可用精密冲切技术来精确地控制。由于用箔制成的电阻易于获得极精确的几何形状及精确的生产控制，因而可制成高重复性的精确电阻。通过此文中描述的光刻技术来制造电阻也属于本发明的范围。
参考图4，显示了带有附在其上的电阻箔条62的导电电路组件60。这个电路基本上与图3C所示的一样，其中铜合金导电箔层14用玻璃16粘接在衬底12上。凡是用图2说明的实施方案中所描述的那种类型的胶粘剂制成的电路组件也属于本发明的范围。凸缘40和42覆盖着阻挡50及贵金属层56。
电阻箔62可由高电阻合金制成。上述合金最好是有延展性及相当高的强度。该材料的电阻最好是在100至1000Ω圆密耳/英尺。合适材料的例子为铁基合金，镍基合金和铜基合金。特别有用的合金是镍-铬-铁合金，如Driver-Harris公司的产品Nichrome。箔片可滚轧到比一密耳稍厚的非常细微的尺寸。使用具有直径比一密耳粗些的金属线也属于本发明的范围。为了将箔片滚轧到所需要的规格，材料最好具有相当的延展性，而且重要的是要具有足够的强度。以便在它制成后能够方便地进行处理。
图5所示的是电路器件60的俯视图，它显示了适合电阻箔62的可能的几何形状。与上凸缘40和42上金覆层相接合的电阻箔边缘64最好用与覆层56所用的相同贵金属覆盖。将电阻箔条与凸缘上面的贵金属层接合在一起可用各种所希望的技术进行，如热压焊技术，它是带自动焊接中所使用的典型技术。焊在凸缘上的电阻带端可比带的其余部分宽些，以便在控制箔片的最终电阻时能产生良好的接合。
图6A到6E显示了包括体现图1所示的和这里所描述的基本的陶瓷一璃璃一铜箔层状结构的多层电路的各阶段。打两撇的参考数字表示与在此没有打撇的参照数字所表示的基本等价的部分。
参见图6A，首先在第一陶瓷衬底12″的两个相反外表面70和72上镀上或涂上粘结材料16″以形成有涂料的衬底74。涂上粘接材料后的该衬底经处理按所需要的图案或位置以制出任意数目的通过孔76，如图6B所示。通过孔可用各种所希望的技术如激光打孔来制成。然后，如图6C所示，通过孔可用导体78来填充，如常规的导电胶、固体导线、或用化学镀及电镀的技术将焊料等导体填充进去。第一脱氧或无氧的铜箔层14″设置在涂料16″上。然后将所得的组件加热到粘接温度同时在大约50至300磅/平方吋之间的压强下把箔层压在玻璃覆料16″上。
用与涂料成分相同的基本无孔的薄玻璃预制片来替代涂料也属于本发明的范围。该玻璃预制片可以接合在箔片或者衬底上，也可放在箔片与衬底之间。然后将叠层在加热和加压下粘接在一起。通过孔也可在粘接层制成之后制成。如果需要，可将脱氧或无氧铜合金箔放在适当的真空下，以防止箔片在这里所述的封焊玻璃上产生气泡。
现在在箔片14上可用常规技术如光蚀刻制成所需要的电路。所得到的结构82，如图6D所示，可同任意数目的用类似方法制成的结构叠在一起。例如，结构84包括第二陶瓷衬底75、玻璃16以及第二铜箔层77，第二铜箔层最好选用与第一铜箔层14相同的材料。结构84可叠在结构82上并用玻璃16接合在一起。如果需要，可在两结构之间安排附加的玻璃层，例如具有所需玻璃成分的预制片，以提供具有所需厚度的玻璃，以形成合适的接合，同时使金属层相互之间电绝缘。然后，将结构82与84压在一起，并在超过500℃左右的玻璃粘接温度下制成多层电路85，如图6E所示，如果必要，导体材料可按要求从通过孔延伸出来接在中间的电路上。而且，任何附加数目的象结构82和84那样的结构可叠成多层电路形成所需数目的层次，引线也可以焊在暴露的电路上以便同另外的电子器件相互连接。
与图6A至6D所显示的步骤相似。图7A至7D显示了制造图7D所示的多层电路结构109的另一过程的各个阶段。图7A显示了由玻璃层90及与衬底12本质相同的陶瓷衬底88所构成的结构86。具有与玻璃16本质相同的组分的玻璃覆料或玻璃预制片90加到衬底88的两个相反的外表面92和94上。正如前面所解释的，玻璃可以是固态无孔预制片，它被粘接在或排在相邻的衬底上。然后，对所得的结构86可用至少两种方法进行进一步的处理。
见图7B，用适当技术，如激光打孔，可制成任何数目的穿过玻璃和陶瓷衬底的所需通过孔96。通过孔用导电材料97如玻璃-铜糊剂、固体金属或这里描述过的合金线填充。然后，把与箔片14选材相同的脱氧或无氧铜箔层或铜合金箔层100和102接合在玻璃90上。玻璃层也可以是基本无孔的预制片，它在箔层放在衬底上之前就粘接在箔层上了。然后将铜箔层用常规技术蚀刻成具有各种所需结构的电路，图7B中所示的结构104就是一个例子。
图7A中的结构86可用另外的方法加工，以制成图7C所示的结构106。在此实施方案中，通过各种所希望的生产技术，如激光打孔或冲孔，首先制成通过孔107。然后，通过孔107用这里所描述过的导电糊剂、固体导线或镀膜等导体108填充，如果需要，也可用其它导体如焊剂填充。
结构104和106可叠在一起，从而使一个结构104处在两个结构106之间。然后把此分层结构加热并压在一起以制成图7D所示的多层组件109。如果需要，可将附加的玻璃预制片放在结构104与106之间。制成不同结构104与106的优点在于交替结构，即106不需要铜层及蚀刻步骤。虽然用三个结构叠在一起制成多层电路组件109，但用任何期望的数目的电路层叠集任何期望数目的交替层104和106所制成的组件都属于本发明的范围。
参照图8A到8D，这里说明了构成图7D所示类型的多层电路组件的另一种方法。图8A中，结构118是由与衬底12的材料基本相同的陶瓷衬底120及与玻璃16在组分和加工特性上基本相同的粘接玻璃122构成的。玻璃16作为涂层或预制片加在衬底的相反的表面上。这种基本结构可用至少两个不同方式进行加工。
首先，如图8B所示，象在此描述过的那样通过加热结构并在箔层与封焊玻璃间加压的办法把脱氧或无氧铜箔层124和126粘接在玻璃层122上。使用粘接在箔层上的玻璃预制片也属于在本发明的范围。
参见图8C，铜箔层124和126可用常规的蚀刻技术进行蚀刻以制成各种所需形状的电路128和130。然后，可用常规技术制出穿过箔-玻璃衬底结构134的通孔132。通过孔132可用导电材料133填充，如导电糊剂、固体导线或用镀敷的方法填充，如果需要的话还可用导体(如铜)来填充。
如图8D所示，加工结构118的第二种技术是用常规技术制成通过孔136，通过孔136可用与导体133相同或相似的导电材料137填充。
较好的实施方案是将两个结构118叠在结构134的两边。将它们置于压力下并加热到粘接温度，由此便制成了图7D所示类型的多层组件。用任何期望的数目的电路层叠集任何数目的交替结构134和118来制成多层组件也属于本发明的范围。
图9A到9F显示了把多个玻璃衬底、电路箔片结合在一起组成多层电路的一系列步骤，以及互相连接电路箔片层的一种独特技术。图9A显示了在其两个相反表面172和174上覆上或涂上一层粘接玻璃176(具有与玻璃16相同的组分)的第一陶瓷衬底170。由预制片来代替玻璃176涂薄膜也属于本发明的范围。接着用希望用的技术，如冲孔或激光打孔，在玻璃覆盖衬底178上制成所需数目的通过孔180，由此所得的结构181如图9B所示。
如图9C所示，脱氧或无氧铜箔层182最好安置在衬底下表面玻璃覆层176上。与通过孔180长度相同的金属线184插入通过孔内。此步骤可这样实现将金属线插入通过孔内，在该线与箔层182电接触好后，从与衬底上部基本等高的地方将该线切断。为了在生产制造过程中确保金属线能插入通过孔，该线最好具有比通过孔略小的直径。例如，如果通孔的直径是5密耳，那么导线直径可以是大约3到4密耳。这个尺寸仅仅作为例子，只要能使金属线接触并连接在通过孔两端的箔层182和186上，金属线与通过孔相比可具有任何直径。
如图9D所示，下一步是将箔层186安置在玻璃覆盖衬底的上表面。通过将组件188加热到大约600至1000℃的温度范围内可使箔层182和186永久地接在涂敷过的衬底上。可使组件188承受小于300磅每平方吋极限的压力，以提高衬底与箔层间的附着力。
金属线184最好选用昂贵的合金，其相对国际韧铜标准(IACS)最好在60%左右，这样在将玻璃粘接在箔层和衬底上所要求的处理温度约在600到100℃的范围内，该合金就能呈半固体状态。金属线的材料要进一步选择，使得它在半固体状态下，具有大约2到40体积百分比的液体，最好是5到25体积百分比的液体。金属线的液相将金属线焊接在箔层182和186上。重要的是金属线在通过孔中不能坍落到与一边或两边的箔层不能接触的程度。
这种把由覆有玻璃的衬底隔开的两个箔层相互连接的独特装置依赖于与较高的铜线热膨胀系数(大约为160×10-7吋/吋/℃)比较起来陶瓷衬底的热膨胀系数(大约50×10-7吋/吋/℃)更低。这在Pryor等人的题为“金属元件的连接方法”(AMethod of Joining Metal Components)的申请中有更详尽的描述。陶瓷与金属线间热膨胀系数的差别使得金属线的线膨胀比起通过孔的线膨胀要大些。因而假如坍落率保持在由被处理的特定材料系统决定的限度内，金属线就会压在箔层上。当金属线焊在两个箔层上并且组件冷却后，焊上的金属线会处在绷紧状态。因此，金属线材料的选择要能使其暴露在由特定材料系统要求的焊接温度状态之后具有足够的延展性。
金属线可由铜合金形成，它的基本组分从如下元素中选择出来大约2%至13%的Sn，大约0.2%至4%的P，大约5%至15%的Sb，大约3%至6%的硅，大约4%至12%的As以及它们的混合物;大至约4%的铁;以及补偿铜。
能够制成适合这里所述的环境的金属线的合金的例子是含8%左右的Sn，0.025%左右的P，2%左右的铁，其余是铜的铜合金。其它的几个例子是2%左右的磷的铜，含2%左右的磷的铜，含12%左右的Sb的铜，含5%左右的硅的铜，含9%左右的As的铜，及这些合金的三元或四元组合。使用在处理温度下的所述的半固体状态的具有所需高导电性的任何其它合金系统都属于本发明的范围。
参见图9E，组件188具有用所需技术如光蚀刻在其上面制成具有所需形状的电路的两个箔层182和184。两个或更多所得到的结构190可叠集起来，把图9B所示的结构181插在中间。其结果就是图9F所示的各层组件192。
该组件可把组件181放在组件190的顶上而装配起来。然后将金属线194插入通过孔180，金属线194可选用与金属线184相同的材料。如本文所述，将金属线切断使之具有与通过孔180相同的长度。然后将第二组件190叠在组件181的顶部，并将此叠积组件加热至粘接温度以制成多层组件192。尽管组件被描述成具有底侧和顶侧取向，但是在组件装配中把元件取向在任何期望方位都属于本发明的范围。
参见图2，显示了陶瓷侧钎焊部件150，它具有本文描述的那种类型的脱氧或无氧铜或铜合金电路箔152。该箔层最好用与在此描述的玻璃16组分相同的粘接或封装玻璃155封接在陶瓷层154和156之间。玻璃可以浆的形式用浸渍法或喷涂法加在陶瓷衬底的封焊表面上。另外，封焊玻璃可以是放在箔层和陶瓷层之间的固体无孔预制件。陶瓷层157最好是由陶瓷层158通过常规技术，如加热到粘接温度，熔接在中间陶瓷层156上来构成。陶瓷层156具有空的中心部分161，形成凹槽163。小片接合金属化层159覆盖在凹槽163内的层158的表面上。该金属化层可以用各种技术来制成。如利用钨粉或钼锰合金粉并将之加热到烧结温度。封闭环160安放在陶瓷层154的外表面162上。封闭环最好是脱氧或无氧铜箔或铜合金箔。使用与电路箔层152有关的玻璃封焊技术将封闭环用玻璃155封焊在陶瓷154上。引线164和166焊到箔层152外边伸延出来的部分上。外壳169，可由所需的材料，如金属和合金，制成，并可使用所需技术，如焊接，将外壳封装在封闭环160上。
陶瓷层154被做成有中空部分165的形状，以便能使电子器件或半导体器件167放在金属化层159上并使器件167的引线能接到电路箔152上。
制造侧钎焊部件150的方法可包括如下步骤首先在大约1500℃左右的高温环境下将陶瓷层156和158接合在一起，做成陶瓷衬底157。与此同时可将小片接合金属化层159烧结在凹槽161内。然后将电路箔152放在衬底157与陶瓷层154之间，将封焊玻璃155用在此所述的技术加到箔层152两个相反表面上，把箔层封焊在层154和157之间。铜封闭环160也可用与箔152相同的粘接技术用粘接玻璃158固定在陶瓷层154上。将电子元件167接在金属化层159上并将元件167的引线连接在电路箔152的引线端。最后将外壳169粘接在封闭环160上。
很明显，根据本发明提供了能完全满足上面公布的目的、方法和优点的混合和多层电路。虽然结合其实施方案描述了本发明，但很显然的是在上面的描述的指导下，对于那些技术熟练的人来说许多选择方案、改进及更改都将是显而易见的。因而，应将所有这些选择方案、改进和更改方案都包括在所附的权利要求
书的精神与范围之内。
权利要求
1.制作电路组件10的方法，其特征在于下列步骤设置陶瓷衬底12；设置铜合金箔层14，所述铜合金由包括脱氧铜合金和无氧铜合金的一组材料中选出；设置粘接玻璃16，它在略低于约1000℃的温度下形成可流动的物质；将一层所述粘接玻璃16置于所述衬底12和箔层14之间；在还原条件下以不超过1000℃的温度对该箔层、玻璃层和衬底组成的组件进行焙烧，使玻璃层将箔层粘接在所述衬底上。
2.权利要求
1的方法，其特征在于从一组包括硅酸盐、硼硅酸盐、磷酸盐和硅硼酸锌玻璃的材料中选择所述粘接玻璃16的步骤。
3.权利要求
2的过程，其特征进一步在于在铜合金箔层上制作电路的步骤。
4.权利要求
2的方法，其特征在于放置所述粘接玻璃层的所述步骤，包括设置基本无孔的粘接玻璃的预制片的步骤，和将所述预制片放在衬底和箔层之间。
5.权利要求
2的方法，其特征在于设置所述粘接玻璃层的所述步骤包括以下步骤将所述粘接玻璃的颗粒同粘合剂和载体混合，以构成玻璃糊剂;将所述玻璃糊剂涂在所述陶瓷衬底12的至少一个表面18上;将粘接玻璃烧结在衬底的表面上。
6.将电阻连接到导电电路上的步骤，其特征在于步骤设置陶瓷衬底12;将一层铜合金箔14粘接到所述衬底上;将箔层的选定部分蚀刻掉，以形成至少两个上凸缘40、42;提供金属箔电阻合金箔条62;将电阻箔条的端部粘接在所述凸缘上，以提供供电连接。
7.权利要求
6的方法，其特征在于从包括镍基合金，铁基合金和铜基合金的一组材料中选择所述金属电阻合金的步骤。
8.权利要求
7的方法，其特征在于下列步骤从包括镍、钛、氮化硼以及它们的合金的一组材料中提供阻挡材料;将一层阻挡材料沉积到每个所述上凸缘的至少一部分上。
9.权利要求
8的方法，其特征在于在所述阻挡材料层上沉积贵金属的步骤，所述贵金属从包括金、钯、银、铂以及它们的合金的一组材料中选出。
10.权利要求
9的方法，其特征在于选择所述铜合金箔的步骤，上述铜合金箔从包括脱氧铜合金和无氧铜合金的一组材料中选出。
11.权利要求
10的方法，其特征在于将一层铜箔粘接在陶瓷衬底上的所述步骤包括以下步骤提供粘接玻璃，它在低于约1000℃的温度下形成可流动的物质;用一层所述粘接玻璃将所述铜合金箔层粘接到所述衬底上。
12.权利要求
11的方法，其特征在于从包括硅酸盐、硼硅酸盐、磷酸盐和硼硅酸锌玻璃的一组材料中选择所述粘接玻璃的步骤。
13.电路组件10，其特征在于陶瓷衬底12;一层铜合金箔14，所述铜合金从包括无氧铜和脱氧铜合金的一组材料选出;一层粘接玻璃16，用于将陶瓷衬底粘接到所述合金箔层上，该粘接玻璃16在低于约1000℃时形成可流动物质。
14.权利要求
13的电路组件，其特征在于所述粘接玻璃是从包括硅酸盐、硼硅酸盐、磷酸盐和锌硼硅酸盐玻璃的一组材料中选出的。
15.权利要求
14的电路组件，其特征在于所述陶瓷衬底是从包括纯度高于约90%的氧化铝及二氧化硅、碳化硅、氧化铝、氧化铍、氧化铝硅酸盐、铝石和它们的混合物的一组材料中选出的。
16.权利要求
15的电路组件，其特征在于所述铜合金箔上有电路图形。
17.电路组件，其特征在于陶瓷衬底12;一层铜箔14;将所述衬底粘接到所述箔层上的装置;所述铜箔层上带有至少两个上凸缘40、42，所述箔层进一步带有制作在其上的导电电路;一条金属电阻合金箔62，所述电阻箔的末端连接到所述上凸缘上。
18.权利要求
17的电路组件，其特征在于所述金属电阻合金是从包括镍基合金、铁基合金和铜基合金的一组材料中选出的。
19.权利要求
18的电路组件，其特征进一步在于包括一层阻挡材料，上述一层阻挡材料沉积在每个所述上凸缘的至少一部分上;所述阻挡材料是从包括镍、钛、氮化硼和它们的混合物的一组材料中选出的。
20.权利要求
19的电路组件，其特征在于进一步包括覆盖在阻挡材料上的一层贵金属;所述贵金属是从包括金、钯、银、铂和它们的合金的一组材料中选出的。
21.权利要求
20的电路组件，其特征在于所述铜合金箔从包括脱氧铜合金和无氧铜合金的一组材料中选出。
22.权利要求
21的电路组件，其特征在于粘接装置是以包括硅酸盐、硼硅酸盐、磷酸盐和锌硼硅酸盐的一组材料中选择出的玻璃。
23.多层电路组件85，其特征在于第一陶瓷衬底12″;第一铜合金箔层14″;粘接玻璃16″，它在低于约1000℃的温度下形成可流动的物质，分别置于所述第一衬底的第一和第二相反表面70，72上，用于将所述第一铜合金箔层粘接到所述第一衬底的第一表面上的第一和第二所述粘接玻璃层;至少第二陶瓷衬底75，至少有第三所述玻璃层在所述第二陶瓷衬底的第一表面上;至少第二铜合金箔层77，所述第二铜箔层用所述粘接玻璃粘接到第二陶瓷衬底75上;所述第一和第二铜合金箔层14″，77，它们带有制作在其中的电路;所述第一和第二铜合金箔层，它们从包括无氧铜合金和脱氧铜合金的一组材料中选出;所述第一和第二陶瓷衬底上粘接的铜箔，它们同所述第二层粘接玻璃叠置并互相粘接，从而使所述第二铜合金箔层紧挨所述第一衬底的第二表面设置。
24.权利要求
23的多层电路组件，其特征在于进一步包括至少一个通过孔76，它通过所述第一和第二衬底及所述粘接材料层延伸，导体78置于所述至少一个通过孔内，用于对所述第一和第二铜合金箔层进行电连接。
25.权利要求
24的多层电路组件，其特征在于所述粘接玻璃是一般成分为MO-B2O3-SiO2的硼硅酸盐。其中MO＝Al2O3，BaO，CaO，ZrO2，ZnO，Na2O，SrO，K2O和它们的混合物。
26.制作多层电路组件85的方法，其特征在于步骤至少提供第一和第二陶瓷衬底12″，75;至少提供第一和第二铜合金箔层14″，77，所述铜合金选自包括脱氧铜合金和无氧铜合金的一组材料;提供粘接玻璃16″，它在低于约1000℃的温度下形成可流动的物质;将第一和第二所述粘接玻璃层置于所述第一陶瓷衬底12的相反表面上;将第三所述粘接玻璃层置于所述第二陶瓷衬底75的至少一个表面上;至少将所述第一箔层置于第一粘接玻璃层上;所述第一粘接玻璃层置于第一衬底的第一表面上;将所述第二箔层置于第三粘接玻璃层上，上述第三粘接玻璃层置于第二衬底的表面上;在第一和第二箔层中制出电路;将所述第一衬底叠置在所述第二衬底上，从而把所述第二箔层置于所述第一和第二衬底之间;将第一和第二衬底构成的组件在还原条件下焙烧。从而用粘接玻璃层把衬底与箔层粘接在一起制成多层电路85。
27.权利要求
26的方法，其特征在于包括打出至少一个穿过所述第一和第二衬底和置于其上的所述粘接玻璃层的通过孔76的步骤;和用导电材料78填充所述至少一个通过孔，使得所述至少第一和第二箔层相互电连接。
28.权利要求
27的方法，其中提供粘接玻璃的步骤包括下列步骤将至少一个基本无孔的粘接玻璃预制片置于各个衬底表面和相邻的箔层之间;将该粘接玻璃预制片粘接在衬底表面与箔层上。
29.制作多层电路组件109的方法，包括下列步骤提供至少第一、第二和第三陶瓷衬底88;至少提供第一和第二铜合金箔层，所述铜合金箔从脱氧铜合金和无氧铜合金的一组材料中选出;提供粘接玻璃90，它在低于1000℃左右的温度下成为可流动的物质;将第一和第二所述粘接玻璃层100，102置于所述第一陶瓷衬底的相反表面上;将第三所述粘接玻璃层置于所述第二陶瓷衬底的至少一个表面上;将第四所述粘接玻璃层置于所述第三陶瓷衬底的至少一个表面上;至少将所述第一和第二箔层置于设置在第一衬底的相反表面上的所述第一和第二玻璃层上;在还原条件下焙烧所述第一和第二箔层、第一和第二玻璃层及第一衬底构成的组件，从而使第一和第二玻璃层将第一和第二箔层粘接在第一衬底的第一和第二相反表面上;在第一和第二箔层上制出电路;将所述第二和第三衬底分别置于第一衬底的两边，从而使置于第二衬底上的第三玻璃层贴在第一箔层上，而置于第三衬底上的第四玻璃层贴在第二箔层上;加热第一、第二和第三衬底组成的组件，从而使粘接玻璃层将衬底和箔层粘接成所述多层电路组件109。
30.权利要求
29的方法，其特征在于设置粘接玻璃90的步骤包括从具有一般组分MO-B2O3-SiO2的硼硅酸盐玻璃中选出所述粘接玻璃，其中MO＝Al2O3、BaO、CaO、ZrO2、ZnO、Na2O、SrO、K2O及它们的混合物。
31.权利要求
30的方法，其特征在于包括下列步骤至少打出第一通过孔96，该通过孔穿过所述第一衬底和粘接在其上的箔层;至少打出穿过所述第二衬底和挨着该衬底设置的玻璃层的第二通过孔107;至少打出穿过所述第三衬底和挨着该衬底设置的玻璃层的第三通过孔;用导电材料填充所述至少第一、第二和第三通过孔，以使所述至少第一和第二箔层得到电连接。
32.权利要求
31的方法，包括设置以多个基本无孔的预制件形式出现的所述粘接玻璃层和加热组件以使玻璃预制片粘接在箔层和衬底表面上从而制成多层电路的步骤。
33.陶瓷侧钎焊组件150，其特征在于其中具有凹坑的陶瓷衬底157;具有粘接所述陶瓷衬底上的第一表面上的铜合金电路箔152，所述铜合金箔从包括无氧铜合金和脱氧铜合金的一组材料中选出;置于所述电路箔片的第二表面上的陶瓷衬底154;在所述陶瓷衬底和所述电路箔层的第一个表面之间的第一粘接玻璃层155，和在陶瓷层和所述电路箔层的第二表面之间的第二粘接玻璃层155，上述粘接玻璃层用于把该箔层粘接在陶瓷层和陶瓷衬底之间。
34.权利要求
33的侧钎焊组件，其特征在于所述粘接玻璃155是具有一般组分MO-B2O3-SiO2的硼硅酸盐玻璃。其中MO＝Al2O3，BaO，CaO，ZrO2，ZnO，Na2O，SrO，K2O及它们的混合物。
35.权利要求
34的侧钎焊组件，其特征在于进一步包括用所述第三粘接玻璃层160粘接在陶瓷层上的封闭环152。
36.权利要求
35的侧钎焊组件，其特征在于进一步包括连在电路箔片上的引线164。
专利摘要
本发明涉及制作多层或混合电路组件60的方法。该组件包括至少一块带有还原或无氧铜合金箔14的陶瓷衬底12，箔14用粘接玻璃16粘在衬底12上。该铜合金箔可是一个其上可粘接电阻金属合金带的电路。以提供具有精确电阻的通路。并且可把多个箔层粘接到衬底上，并迭置成多层电路85、109、192。
文档编号H01L21/48GK86102036SQ86102036
公开日1986年11月19日 申请日期1986年3月3日
发明者迈克尔·J·普约尔, 查理斯·J·科迪克, 诺曼·G·马斯 申请人:奥林公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan