DE1615979B1

DE1615979B1 - Elektrische Schaltung in keramischer Monolithbauweise

Info

Publication number: DE1615979B1
Application number: DE1967D0053700
Authority: DE
Inventors: Gustaf Arrhenius
Original assignee: Dielectric Systems Inc
Current assignee: Dielectric Systems Inc
Priority date: 1966-07-27
Filing date: 1967-07-26
Publication date: 1971-11-25
Also published as: US3423517A; NL6710312A; GB1171514A; FR1532198A

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung Die gewünschten Metalleiterbahnen werden dann

in keramischer Monolithbauweise, bei der die elek- auf die vorgebrannte keramische Masse aufgebracht, irischen Schaltungsmittel in einem nach deren Auf- und diese Verbindung wird dann bei hohen Tempebringen gesintertem monolithischem Keramikwerk- raturen erhitzt, um die Haftung des Metalls an der stoff eingekapselt sind. 5 Keramik zu verbessern. Eine Sinterung der Keramik-

Derartige Schaltungen stellen normalerweise elek- masse nach Auftrag der Metalleiterbahnen wird aus irische Schaltbausteine mit sehr geringem Innen- verschiedenen Gründen nicht angewandt. Der wichwiderstand dar, die zudem gegen äußere Einflüsse tigste Grund ist wohl darin zu sehen, daß die Sinteäußerst widerstandsfähig und thermisch hochleitend rung der normalerweise grünen keramischen Werksind. lh dem monolithischen Werkstoff sind elek- io stoffe gewöhnlich in Luft vollzogen wird, um die trische Bauteile, wie z.B. Leiterbahnen, Widerstände, organischen schlammbildenden Stoffe abzubrennen, Kondensatoren und Spulen, enthalten. wobei die Metallbestandteile bei den hohen für die

Bekannte gedruckte Schaltungen lassen sich in Sinterung erforderlichen Temperaturen leicht oxybezug auf den Aufbau in drei Arten unterteilen. dieren würden.

Bei der ersten Art besteht ein Träger, der verstärkt 15 Um zum Schutz gegen schädliche Umwelteinflüsse sein kann oder auch nicht, aus Kunststoff, auf dem derartige keramischen gedruckten Schaltungen zu die Leiterbahnen oder andere elektrische Bauteile versiegeln, kann eine Anzahl dieser keramischen aufgebracht und befestigt sind. Bei der zweiten Art Schaltungsplättchen in Sandwichform aufgebaut besteht der Träger aus einem Glasgefüge, auf dem werden, wobei eine Lage die Leiterbahnen trägt, die Leiterbahnen in Schaltungsform oder die anderen 20 die nächste Schicht mit einer anderen Schaltung elektrischen Bauteile aufgebracht bzw. anderweitig versehen ist und mit Ausnahme der metallüberbefestigt sind. Bei der dritten Art wird als Träger zogenen Bohrungen isolierend wirkt und wiederum Sinterkeramik verwandt, auf die die Leiterbahnen die folgende Schicht mit einer weiteren Schaltung oder andere elektrische Bauteile aufgebracht oder versehen ist und gegenüber der zweiten isolierend anderweitig befestigt sind. Jede der vorstehend 25 wirkt usw. Ein derartiger gemischter Aufbau kann erwähnten Arten weist wesentliche Nachteile auf, durch Kunststoffharze oder Glas in Verbund gevon denen einige nachstehend aufgezählt werden halten werden.

sollen. Kunstharze sind nur bis zu einer Grenze von

Gedruckte Schaltungen mit einem Kunststoffträger, etwa 200 bis 250° C für ziemlich kurze Zeiten, d. h. z. B. aus glasfaserverstärktem Epoxyd sind nicht 30 Stunden oder allenfalls Tage, temperaturbeständig, wirklich hochtemperaturfest. Die Hitzebeständigkeit Somit können die in Mischbauweise erstellten keraläßt sich nicht mit der von keramischen Werkstoffen mischen gedruckten Schaltungen in Umgebungsvergleichen. Zum zweiten sind Kunststoffträger keine bedingungen mit dauernd hohen Temperaturen nur guten Wärmeleiter, und damit können nicht viele bedingt eingesetzt werden und sind chemisch nur Bauelemente auf engem Raum untergebracht wer- 35 insoweit widerstandsfest, als es die Bindemittel sind, den. Drittens unterliegen derartige Träger der Kor- welche dazu verwandt werden, um aus der Mehrrosion. Viertens lassen sich Kunststoffe nicht herme- Schichtkeramik eine einzige homogene Masse zu tisch abschließen. Fünftens ist der Wärmeausdeh- bilden. Die für das Kleben erforderlichen Schichten nungskoeffizient von Kunststoffen viel höher als der aus Kunstharz wirken als thermische Isolierschichten von Metallen, und unter warmen Umgebungsbedin- 40 zwischen den verschiedenen Schaltungslagen und gungen können wegen der unterschiedlichen Wärme- schränken damit die Dichte der Bauteilbestückung ausdehnung die metallischen Leiterbahnen einer erheblich ein. Ein weiteres Problem ergibt sich aus verformenden Spannung ausgesetzt sein und damit der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen unterbrochen werden. Außerdem sind Kunststoffe dem keramischen Kunststoff und den Metallen,
nicht strahlungsfest und besitzen eine geringe Biege- 45 Bei Verwendung von Glas für das Verbinden der festigkeit, wodurch sich die Leiterbahnen ziemlich keramischen Mehrfachschichten zu einer einzigen leicht vom Träger lösen können. Schließlich ist es einstückigen Masse wird die Bestückungsdichte der recht schwierig, die Innenflächen von Bohrungen Bauteile der homogenen Masse ebenfalls wesentlich eines Kunststoffträgers mit einer Metallschicht zu eingeschränkt, da das Glas als thermische Isolierüberziehen. 50 schicht zwischen den verschiedenen Schaltungslagen Diesen Nachteilen wurde begegnet durch das wirkt. Weiter können erhebliche Unterschiede in der Aufbringen metallischer Leiterbahnen auf Dünn- Wärmeausdehnung zwischen dem Glas und der Schichtkeramiken, z. B. Tonerde. Im allgemeinen Keramik bestehen, wodurch sich leicht eine durch werden die keramischen Trägertafeln für die ge- Spannung überbeanspruchte Konstruktion ergibt, die druckten Schaltungen vor dem Aufbringen der 55 Beschädigungen oder einem Bruch ausgesetzt ist.
Leiterbahnen gesintert. Der keramische Träger wird Es sind auch Schaltungsträger aus Glas bekanntaus einem in ein Kunststoff- oder Harzbindemittel geworden. Doch diese sind sehr aufwendig und eingebrachten Schlamm aus rohen, ungebrannten äußerst empfindlich. Deshalb finden gedruckte keramischen Teilchen gebildet, wobei der Schlamm Schaltungen mit Glas als Träger wenig Verwendung; durch ein Verflüssigungsmittel in flüssigem Zustand 60 Glas bildet ebenfalls eine wärmeisolierende Schicht gehalten wird. Der Schlamm wird vergossen und das wie die vorstehend beschriebenen Kunststoffharze. Verflüssigungsmittel verdampft. Das Ergebnis ist ein Es ist ferner eine elektrische Schaltung in kerarelativ biegsames plastisches »grünes« dünnes Platt- mischer Monolithbauweise bekannt, bei der die chen. Das Plättchen wird darm gewöhnlich bei ge- elektrischen Schaltungsmittel in einem nach deren nügend hoher Temperatur in Luft gebrannt, um 65 Aufbringen gesinterten monolithischen Keramikdie Kunststoffbindemittel abzubrennen und die werkstoff eingekapselt sind. Hierbei wird also die keramische Masse zu sintern. Als Ergebnis erhält Sinterung des Keramikwerkstoffes nach dem Aufman ziemlich reine gebrannte Keramik. bringen des Schaltungsmusters vorgenommen. Als

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Metall für die elektrischen Schaltungsmittel wird in der Herstellung und besitzt eine hohe Betriebs-Molybdän verwendet, dem zur Verbesserung der sicherheit. Die gute Leitfähigkeit der elektrischen Adhäsion Mangan zugemischt ist. Der Keramik- Schaltungsteile ist ohne weiteres reproduzierbar. Werkstoff, in dem die Schaltungsmittel eingekapselt Die Schaltung zeichnet sich durch hohe Zug-, sind, enthält Aluminium mit Silikaten als Zusätze. 5 Druck-, Biege- und Stoßfestigkeit aus, ist ferner Während der Sinterung findet keine Veränderung gasdicht und somit gegen Korrosion geschützt, des Molybdäns statt, wohingegen Mangan sehr Schließlich sind die Wärmedehnungskoeffizienten der schnell zu Manganoxid oxydiert. Eine Oxydation des Keramik und des Metalls der erfindungsgemäßen Mangans findet sogar in technisch reiner Wasser- Schaltung gleich.

stoff atmosphäre statt. Bei feuchter Brennatmosphäre, io Die gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wie sie normalerweise vorliegt, verläuft die Oxyda- bevorzugten Metallverbindungen bestehen aus Gold, tion des Mangans noch schneller und vollständiger. Kupfer oder Silber einerseits und Molybdän oder Das Manganoxid reagiert seinerseits mit den SiIi- Wolfram andererseits. Es hat sich ergeben, daß die katen, die als Zusätze für das Aluminium dienen. speziellen Verbindungen von Gold und Molybdän, Der gleiche beschriebene Vorgang spielt sich auch 15 Silber und Molybdän, Kupfer und Molybdän, Gold bezüglich des Titanhydrids ab, das als Zusatz zum und Wolfram, Silber und Wolfram sowie Kupfer Molybdän-Mangan-Metallpulver verwendet wird. Als und Wolfram den vorstehend erwähnten- notwenendgültiges Ergebnis stellt sich ein Komplex aus digen und zweckmäßigen Bedingungen entsprechen. Mangan-Titan-Magnesium-Aluminium-Silikatglas Von den Metallen Gold, Kupfer und Silber besitzt ein. Das Glas dringt in die Aluminiumoberfläche und 20 letzteres die günstigsten Eigenschaften für die Oberin die Leerstellen zwischen den Körnern des Molyb- flächenspannung in bezug auf das feuerfeste Metall däns ein, wodurch es als Zement wirkt, der das und weist auch die höchste spezifische elektrische Molybdän am Keramikträger hält. Durch die be- Leitfähigkeit auf. Wegen seiner chemischen Inaktischriebenen Vorgänge werden mindestens 30% des vität im Vergleich zu Kupfer und wegen seiner Leitervolumens von dem bei der Sinterung entstehen- 25 geringen Kosten im Vergleich zu Gold bietet Silber den Glases ausgefüllt, so daß die Schaltungsmittel weitere Vorteile. Bei der Erfindung können auch einen verhältnismäßig hohen Widerstand aufweisen. Metalle der Gruppe 5 b wie Niob und Tantal als Einen weiteren Nachteil stellen die verhältnismäßig feuerfeste Metalle verwandt werden; sie werden schlechten thermischen Eigenschaften der bekannten jedoch zur Zeit nicht bevorzugt verwendet. Schaltung dar, da das entstehende Glas als Wärme- 30 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachisolator wirkt. stehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elek- Es zeigt

trische Schaltung in keramischer Monolithbauweise F i g. 1 eine schematische Darstellung der Schritte

mit einem oder mehreren elektrischen Bauteilen oder eines Verfahrens zur Herstellung der erfmdungs-Leiterbahnen zu schaffen, die sich durch bessere 35 gemäßen Schaltung,

physikalische Kennwerte, größere chemische Wider- F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teiles

Standsfähigkeit, bessere Wärmeleitfähigkeit und einer ungebrannten Keramikplatine vor dem Aufdurch eine hermetische Dichtung gegenüber bekann- bringen von metallischen Leiterbahnen, ten Schaltungen auszeichnet. F i g. 3 eine perspektivische Ansicht der unge-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch 40 brannten Platine nach Fi g. 2 nach dem Aufbringen gelöst, daß für die elektrischen Schaltungsmittel ein der Leiterbahnen,

Zweikomponenten-Verbundmetall vorgesehen ist, F i g. 4 eine perspektivische Ansicht der unge-

von dem der eine Metallanteil einen Schmelzpunkt brannten Platine nach Fig. 3 nach seiner Verkapseunterhalb der Sintertemperatur des Keramikwerk- lung und Schichtung mit einer zweiten ungebrannten stoffes aufweist und der andere Metallanteil ein 45 Platine,

feuerfestes Metall darstellt, dessen Schmelzpunkt Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Anord-

erheblich über der Sintertemperatur des Keramik- nung nach F i g. 4 nach dem Brennen, Werkstoffes liegt, daß das feuerfeste Metall in dem Fig. 6 bis 8 vergrößerte Querschnitte längs den

Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt mindestens Linien 6-6, 7-7 und 8-8 der Anordnungen gemäß den zu einem geringen Grad löslich ist und daß das 50 F i g. 3, 4 und 5,

Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt eine kleine Fig. 9 die Kurve für die praktisch beobachtete

Oberflächenspannung gegenüber dem feuerfesten Änderung des Widerstands, aufgetragen über der Metall sowie einen genügend niedrigen Dampfdruck Veränderung der Bestandteile der bei sehr hohen bei Sintertemperatur besitzt. Temperaturen gebrannten Metallbauteile, und

Die elektrische Schaltung in keramischer Mono- 55 Fig. 10 eine typische Brennstufenlinie, lithbauweise gemäß der Erfindung besitzt einen sehr Vorab wird erklärt, daß ein Schutz nur im Rahgeringen Innenwiderstand, eine hohe mechanische men der Ansprüche begehrt wird. Festigkeit und einen sehr geringen Platzbedarf für Die aus zwei Metallen bestehenden elektrischen

die eingekapselten Leiterbahnen. Sie widersteht Schaltungsmittel werden in einer bestimmten Form chemischen Aggressionen und zeigt keine Ver- 60 auf einen grünen Keramikträger aufgetragen, wie schlechterung bei langzeitigen hohen Temperaturen. nachstehend näher ausgeführt wird, und durch eine Das geringe Volumen der erfindungsgemä.ßen Schal- weitere Lage oder weitere Lagen gleichen Aufbaus tung im Verhältnis zur Bestückungsdichte der Bau- verkapselt. Es werden entsprechende Verbindungsteile wird dadurch bedingt, daß Keramik ein guter bohrungen angebracht und die gesamte Anordnung Wärmeleiter und zugleich ein guter elektrischer 65 wird dann unter besonderen Bedingungen, die noch Isolator ist. Wärmeisolierende Schichten, wie bei den näher beschrieben werden, gesintert. Das für die bekannten Schaltungen, sind nicht vorhanden. Die Ausbildung der Leiterbahnen verwendete Zweierfindungsgemäße Schaltung ist wenig aufwendig komponentenverbundmetall muß mehrere·Bedingung

gen erfüllen; Nach dein Brennen der Keramik müssett die Metälleiter eine optimale Leitfähigkeit aufweisen. F&fner müssen die Leiterbahnen geiläü maß- und fötmhaltig sein. Das Metall darf sieh nicht üBer und in die Poren des Keramischen Werkstoffes vor oder während d6s Bf ennvofgänges vorteilen: Dennoch muß die Obeffläehenspannung des flüssig Werdenden Metalls gleichzeitig niedrig genüg sein, um das Entstehen von Unterbrechungen in deii Leiterbahnen während des Brennvöfganges zu vermeiden. Weiter iö müssen die Kennlinien Bezüglich der Wäfmeäusdehnung des Verbundmetäiis denen der Keramik angeglichen werden, um Verformungen iiiid übermäßige Restspanrtungen zu vermeiden: Dähef muß das Verbundmetäll seine' Formbeständigkeit und elektrischen ifi Eigenschaften unter den verschiedensten Ternb'eraiür- und Umgebühg'sbedirigüngen beibenalfeii.

Ein 2weikönibonentenvefbundmetäll, bei ieni eine Komponente eine höhe elektrische Leitfähigkeit und eine andere eine Höhe öder mittlere Leitfähigkeit hat und bei der höchsten während des Brennvorgänges auftretenden Temperatur ein Metall schmilzt, Wahrend das andere fest bleibt; erfüllt diese Voraussetzung, wenn ferner die flüssig werdende Komponente eine niedrige Oberflächenspannung" gegenüber dem feuerfesten Metall hat; damit alle Höhlräuffie vollständig ausgefüllt werden ■— eine" zur Erzeugung einer optimalen Leitfähigkeit notwendige Voraussetzung. Das erforderliehe ÖbeffläeHenspänfiüngsverhältnis ist mit einer b'eträehilicheri Löslichkeit (mehrere Mölpfozent) des feuerfesten Metalls in der flüssigen Masse bei maximaler Brenntemperatur gekoppelt. Diese Möehtemperätüflösli'eHkeit wird auch in vorteilhafter Welse für einen änderen· Zweck ausgenutzt. Wenn der feuerfeste BSStändteÜ Sin Metall der Gruppe 6 b oder -5 B ist und die flüssig werdende Komponente eiö Metall der Gruppe IB₅ so erhält die letztere durch die LöslicMeit des feuerfesten Metalls im flüssigen MStäll bei hohen Temperaturen genügend Reakfiönskräft; üfii auch di6 4ö erforderliche Benetzung des Keramikträgers Iu bewirken, die sonst nicht stattfinde!! Würde: Es ist jedoch auch eriofderlieh; daß das VerMltnis" der Löslichkeit zur Temperatur im MetällVerBärid so ist; daß eine vollständige Auflösung des feuerfesten Metalls bei niedriger Temperatur Streicht wir d> Wird diese Bedingung nicht erfüllt; ergeben sieh gestreute" Verunreinigungen, die zu drästiscn erhöhten elektrischen Widerstandswerten fünreö:

Weitere Forderungen an die Metalikomponentefi sind eÜl genügend Medfigei: Dampfdruck bei der Brenntemperatur, um während des gasfSfrnigeö ZuStandes Wanderungen zu vermeiden sowie eine hinreichende Trägheit gegenüber der Keramik; üM deren Eigenschaften Mu erhalten; SS

Sind die vorstehend beschriebenen Vofartsseizungen erfüllt, so läßt sieh ein'e MaßhältigMt der aufgebrachten Leiterbahnen erhalten, während gleichzeitig die eiekttisehe Leitfähigkeit hoch i§t (MnigSf als 0,1 OM pro quädräHsShef Qberflächgfielhheit öö und Ö,ö254rnm Dicke; ötdiS Anlaisen): Mit Ausnahme des äinterns bleibt die KöfnVdftfeilung des' feuerfesteä Metalls ungestört; wöb6i Ss έία äfe'l··· dimensiönäles Gitter mit mittlerer elektnsihSf Leitfähigkeit bildet. In den Zwischenräumen iwisehgn den Körnern des feuerfesten Metalls Be"finäet siel die verfestigte flüssige Komponente, die ein ändeies' kontinüierliehes Gitter Mt selif höfief elekiflSeler Leitfähigkeit bildet. Ohne den feuerfesten Bestandteil würde das Metall der Gruppe Ib nicht über die gewählte Leiterbahn ausgedehnt bleiben, Sondern beim Sintern und insbesondere beim Schmelzen bestrebt sein, wegen def höhen Oberflächenspannung gegenüber der Keramik zu einzelnen getrennten Tropfen zusammenzulaufen.

Die Konzentration des iri der flüssigen Komponente aufgelösten feuerfesten Metalls erreicht ihren Höchstwert bei der mäxiinälen Brenntemperatur. Beim Abkühlen gerinnt iii der Schmelze die Auflösung jedoch bleibt ein erheblicher Teil des feuerfesten Metalls unverfestigt; und zwar teilweise iiri Gleichgewichtszustand und teilweise infolge Übersättigung, die Besonders beirrt schnellen Abkühlen eintritt. Unter diesen Umständen hat die Oberflächefispannung » der flüssigen Komponente sowohl in bezug auf das feuerfeste Metall als auch auf die Keramik einen günstigen Faktor, bis die Massenbewegung des Metalls dutch Abkühlen angehalten wird. Die weitere Auflösung Vollzieht Sieh bei efhöhter Temperatur ίäsch geüüg, so daß die ideale elektrische LeitfäHigkeit ohne besondere Vörsichts-Maßnahmen mit eiiie'm Faktor von 2 oder 3 angenähert wifd. Bei Speziälaiiwendungen, bei denen eine^ höchste Leitfähigkeit erforderlich ist, kann dieser Wert durch längeres Anlässen der gebrannten Anordnung Bei einer Temperatur Von mindestens 20O⁰C und vorzugsweise bei etwa 400 bis 500° C angenähert erreicht werderL·

Das Verbundmetall wird von einem Bindemittel geträgen·, dessen ZüSammefisetz-ung innerhalb eines großen Bereichs von Werkstoffen Variiert Werden kann. Öäs Bindemittel ist normalerweise ein ziemlich flüchtiges Lösungsmittels wie z.B. ein Kohlenwasserstoff; und dient üblicherweise* zur Aufschwemmung der Metallpulver. Beispiele dafür bildeö Toluol uM/odef Kigfeaol.

Ein Verfahren zur Hefätellünö; einer elektrischen Schaltung in keramischer Mönölithbaüweise umfaßt folgende Schritte:

(ä) Beimischung von 50¹Vo oder mehr eines feinverteilten öder pulyefförmigen keramischen Werkstoffes (oder Mischung der keramischen Werkstoffe) zu einem Kunstharzbindemittel, Weichmachern und einem flüchtigen Lösungsmittel zur Mefsteiiung einer fließfähigen Masse (S'chnttiÖ, Fig. 1)5

(b) Vergießen oder anderweitige Verformung der fließfähigen Massfe in dünne Scheiben (Schritt 12; Fig. 1);

(c) Aufbau der Schfeibofidicke- Bis zum gewünschten Wert, wenn nötig durch Schichtung der Schel-

. Ben unter kurzzeitigem Drück bzw: kürzzeitiger Hitze. Die sich daraus ergebende Scheibe ist sehr biegsätti und läßt sich' leicht ohne zu brechen händhabeü (Schritt 12α Fig. 1);

(d) Anbringung eines vorgegebenen Lochmusters, das sich mit der metallhaltigen Tusche decken muß, aus welchen die Liüieii der gewünschten Leiterbahnen bestehen (Schritt 13, F i g. Ϊ) (dieser Schritt ist mehtfür jede Schickt erforderlich);

(e) Aufbringen der gewünschten LeiterBaMea auf die* üügebränatg Scheibe düröh eines der üblichen Verfahren, z. B₁ düfeh Siebdruck sowifc auch düfet nlehtkönVintigäellg Methoden: DäS VBf-

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bundmetall kann sich in einem flüchtigen Binde- Struktur hindurch verschmolzen ist. Organische Restmittel wie Kiefernöl oder Terpentin, befinden stoffe sind nicht vorhanden.

(wobei es die Kunststoffbindemittel oder die Nachstehend folgt eine eingehendere Beschreibung

anderen Bestandteile der ungebrannten Keramik- der Herstellung der ungebrannten biegsamen Kera-

scheibe nicht beeinflußt). Das in einem fluch- 5 mikscheibe, für die ein Schutz jedoch nicht begehrt

tigen Träger befindliche Verbundmetall wird wird.

beim Siebdruckverfahren als Tusche oder Tinte Wie vorstehend erwähnt, werden die Keramikwerkbezeichnet und wird im folgenden Druckfarbe stoffe mit einem oder mehreren Kunstharzen, Weichgenannt (Schritt 14, Fig. 1); machern, Lösungsmitteln u.dgl. gemischt, um eine

(f) Aufbringen einer zweiten ungebrannten dünnen ¹⁰ fließfähige Masse zu erhalten. Die keramischen Werk-Keramikscheibe, die nach den vorstehend er- ^{stoffe smd so} beschaffen, daß sie nach der Sinterung wähnten Verfahrensschritten gefertigt wurde, auf ^ein gasdichtes Material von hoher Festigkeit ergeben, die erste nicht gebrannte Keramikschicht zur ^Die Keramikstoffe können ursprünglich gebrannt Verkapselung der Leiterbahnen und Aufbringen ^oder nicht gebrannt sein. Sie enthalten Metallkarbide, der zweiten Scheibe auf die erste unter Wärme *5 Metallnitride, Metallsilizide, Metalloxide, Metallsili- bzw Druck (Schritt 18 Fig 1)· ^ate ^und metallische Oxydationsstoffe wie z. B. Wolf-

(g) Auf "die beiden vorstehend beschriebenen Kera- ^ramf_t ™d Molybdate usw. Die normalerweise vermikscheiben kann eine weitere nicht gebrannte Τ^Τπ^Α? JS f ^f^ ΪΤ
Keramikscheibe mit den Leiterbahnen und den W>8>' Beryll BeO), Bittererde (MgO) Zirkonentsprechenden Löchern für die elektrischen ²° ^ ZrO₂) Hafniumerde (HfO₂), SiO Titanerde Verbindungen vor der Lamellierung aufgebracht ψ9^> modifiziertes Barmmtitanat, Mullit, Speckwerden; auf diese Weise lassen sich viele ab- f^m ™d Fosterit. Praktische Erwägungen lassen wechselnde Schichten von Keramik und Metall ^Tonf^de f bevorzugtes keramisches Material fur die unter Druck bzw. Wärme zu einem einzigen masten Anwendungen erscheinen. Eine Keramik-Baustein zusammenfügen (Schritt Ma, Fig 1). ²⁵ ^mas*^e> ^.überwiegend aus Tonerde und, falls zweck-

^{6 v 6} ' maßig, kleinen Mengen von Fremdstoffen (die haupt-

Anschließend wird der Baustein in einer nicht sächlich zur Sinterung und zur Änderung des Krioxydierenden Atmosphäre gebrannt. Die Atmosphäre Stallwuchses in der Keramikmasse beigefügt werden) kann auch teilweise oder völlig reduzierend wirken. besteht, stellt einen geeigneten Werkstoff dar.
Die Temperatur wird vorzugsweise stufenweise lang- 30 Die Kunststoffe, die als zeitweilige Bindemittel für sam erhöht, bis eine Temperatur von etwa 1600° C die Keramik dienen, müssen für die anfängliche erreicht ist (Schritt 20, Fig. 1). Während des Brenn- Fließfähigkeit des Keramikschlammes in Lösungsvorganges werden (1) zuerst die flüchtigen Bestand- mitteln löslich sein und ohne Verziehen verbrennen, teile durch die noch porösen Keramikschichten ver- damit die Maßhaltigkeit des aufgebauten keramischen dampft (z. B. bei 150 bis 200° C), (2) sodann die 35 Bausteins nicht beeinflußt wird. Das Kunstharz wird Bindemittel abgebaut bzw. reduziert, und zwar in aus den verschiedensten Arten von Harzen ausge-Abhängigkeit von der verwandten Atmosphäre (z. B. wählt. Beispiele sind Polyvinylalkohol, Zelluloseäther bei 500 bis 600° C), wodurch sie nacheinander als Äthylzellulose, Zelluloseester sowie verschiedene Kohlenwasserstoffe von niedrigem Molekulargewicht Acryl- und Methacrylharze. Die Aufgabe der Kunstwie z. B. CH₄ usw. verdampft werden, wenn eine 40 harze besteht darin, das keramische Granulat oder Wasserstoffatmosphäre benutzt wird; (3) die nach Pulver während der verschiedenen Herstellungsvor-Verdampfung, Abbau oder Reduzierung der orga- gänge zu einer haftenden Masse zu verbinden. Ebennischen Stoffe verbleibende Keramik wird dann auf so werden die üblichen Weichmacher für die Kunsteine höhere Temperatur gebracht, normalerweise im harze verwendet.

Bereich von 1500 bis 1700° C, um den keramischen 45 Kunstharz, Weichmacher und keramische Baustoffe

Werkstoff zu sintern oder zu verschmelzen und ihn werden gründlich mit einer genügenden Menge eines

damit vollständig zu »verschließen«, d. h. gasdicht flüchtigen Lösungsmittels durchgemischt, wie z. B.

zu machen. Das Sintern und Versiegeln der Keramik Toluol, um den fließenden Schlamm zu bilden. Die

kann durch den Zusatz kleinerer Mengen von Verarbeitung in der Kugelmühle ist die zur Zeit

Fremdstoffen, wie z. B, durch Silikate und durch 50 bevorzugte Mischart. Anschließend wird der Schlamm

Erhöhen der Oberflächenenergie der Keramikteil- durch Vergießen in eine dünne Schicht von der ge-

chen erleichtert werden. wünschten Dicke, z. B. zwischen 0,0254 und 1,27 mm.

Das für die Leiterbahnen gewählte Verbundmetall ausgeformt. Das Gießen der Scheibe auf eine glatte

verbindet Haarrisse an den Keramikschichten und Oberfläche, wie z. B. poliertes Metall oder Glas kann

haftet ohne jede Labilität während des Brennvor- 55 mit hoher Genauigkeit erfolgen, wobei eine Ge-

gangs, wodurch sich eine oder mehrere hoch leit- nauigkeit von ±0,0050 mm leicht erreicht werden

fähige Schichten von Leiterbahnen ergeben, die voll- kann.

ständig in eine hoch feuerfeste gasdichte Keramik Hierbei ist zu beachten, daß es nicht erforderlich eingebettet sind. ist, zuerst den mit Lösungsmittel versetzten Schlamm Die sich ergebende Struktur ist monolithisch, ent- 60 zu bilden. Die Keramikstoffe können z. B. mit einer hält eine oder mehrere hoch leitfähige voneinander kleinen Menge eines trockenen Bindemittels wie isolierte Metalleiterbahnen und kann auch weitere Magnesiumstearat unter hohen Drücken zur Auselektrische Schaltbauteile, wie Widerstände oder Kon- formung der Scheibe trockengepreßt werden,
densatoren, umfassen. Der Baustein besitzt eine her- Das Verhältnis des keramischen Materials zu den vorragende mechanische Festigkeit, eine hervor- 65 organischen Stoffen (Kunstharz und Weichmacher), ragende Wärmeleitfähigkeit und Wärmeisolierfähig- jedoch ohne das flüchtige Lösungsmittel, ist meiht keit. Der Baustein ist auch wirklich monolithisch, größer als 1:1. Das Anfangsverhältnis des kerada ja der keramische Werkstoff durch die gesamte mischen Materials zu den organischen Stoffen ist

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nicht kritisch, solange nach der Verdunstung des Atmosphäre bis zur Sintertemperatur des kerami-

flüchtigen Lösungsmittels die ausgeformte Scheibe sehen Materials erfolgt.

zusammenhaftet und biegsam ist. Bei Verwendung Während der Brennvorgang in Luft als Atmo-

von Tonerde als keramischem Hauptbestandteil sind Sphäre beginnen kann, liegt die untere Temperatur,

im allgemeinen nur 6 bis 12% organische Stoffe 5 bei welcher die Oxydierung der Metallbestandteile

erforderlich, während der Rest hauptsächlich aus der Erfindung anfängt, im Bereich von 250 bis

Tonerde besteht. Das Verhältnis der organischen 300⁰C. Daher wird im allgemeinen der Brennvor-

Stoffe zum keramischen Material ist nicht kritisch, gang in Luft auf Temperaturen unter etwa 200 bis

da während des nachfolgenden Brennvorganges die 250° C beschränkt. Normalerweise ist es vorzu-

organischen Stoffe leicht abgebaut und verdampft io ziehen, den zu brennenden Baustein bereits bei Be-

werden. ginn des Brennvorgangs in eine chemisch inaktive

Das flüssige Lösungsmittel verdunstet aus der un- oder reduzierende Atmosphäre einzubringen,
gebrannten Keramikscheibe mit einer gewünschten Nach Fig. 10, die eine stufenförmige Brennkurve Geschwindigkeit entweder bei Zimmertemperatur zeigt, wird die Anordnung nach Fig. 4 zunächst für oder bei leicht erhöhten Temperaturen, je nach dem 15 etwa 30 Minuten in einen üblichen auf etwa 200° C benutzten Lösungsmittel. Die so entstandene unge- erwärmten Ofen mit einer chemisch inaktiven, redubrannte Scheibe kann dann leicht verarbeitet werden, zierenden oder Luftatmosphäre eingebracht. Hier so lange sie noch flexibel ist. Sie kann dann, ohne zu verbrennen dann die flüchtigen Stoffe und Lösungsbrechen, lamelliert, gelocht, geformt oder anderweitig mittel ohne nachteiligen Einfluß auf die Metalleiterverarbeitet werden. Die Keramikscheibe kann je nach 20 bahnen.

den technischen Daten, die für einen bestimmten Wird zunächst Luft als Atmosphäre verwandt,

Baustein verlangt werden, aufgebaut werden. Dies dann wird sie danach ausgespült und eine chemisch

geschieht leicht durch Lamellierung der ungebrannten inaktive, nicht oxydierende Atmosphäre, wie Argon

Scheiben mit weiteren ungebrannten Scheiben der oder Stickstoff, oder eine reduzierende Atmosphäre,

gleichen Form unter Drücken von etwa 210 bis 25 wie Wasserstoff, verwendet. Aus praktischen Griirt-

1050 atü und Temperaturen zwischen Zimmertem- den wird Wasserstoff vorgezogen. Die Temperatur

peratur und 200° C, wobei Drücke und Tempera- wird langsam stufenweise angehoben (Fig. 10), und

türen nur kurzzeitig wirken, d. h. mit einer Dauer die Kunstharze zersetzen sich, wobei sie Kohlen-

von einigen Sekunden bis zu 20 Sekunden. Eine der- Wasserstoffe von niedrigem Molekulargewicht bilden,

artige ungebrannte Keramikscheibe hat in Fig. 2 das 30 die als Gas entweichen. Es wird angenommen, daß

Bezugszeichen30. . .. keine Kohlenstoffe mehr verbleiben, nachdem eine

Wenn die erforderliche Scheibendicke erreicht ist, Temperatur von 700° C erreicht ist und etwa 10 Mi-

werden, wie vorstehend erwähnt, falls erforderlich, nuten beibehalten wird.

die Verbindungsbohrungen 32 in die Scheibe 30 ein- Dann wird die Temperatur wieder stufenweise

gelocht. Dann werden die Metalleiterbahnen 34 mit 35 erhöht, bis die Sintertemperatur für die Keramik

den üblichen Verfahren auf die Scheibenoberfläche von etwa 1400 bis 1500° C (in Fig. 10 etwa

aufgebracht. Ein bevorzugtes Verfahren zur Aufbrin- 1440° C) erreicht ist. Um die Oxydierung der Metalle

gung der gewünschten Leiterbahnen 34 ist der üb- zu vermeiden, wird bevorzugt eine Atmosphäre aus

liehe Siebdruck. einem chemisch inaktiven Gas mit etwa 10% H₂-

Gemäß den Fig. 3 bis 8 wird nach dem Auf- 40 Gehalt angewandt. In einigen Fällen kann eine haupt-? tragen der Metalleiterbahnen 34 eine zweite unge- sächlich aus Wasserstoff bestehende Atmosphäre bis brannte Keramikscheibe 30' mit Verbindungslöchern zur maximalen Brenntemperatur verwendet werden. 32' auf die Scheibe 30 aufgebracht. Das Aufbringen Um die Korrosion reduzierbarer Bestandteile einer erfolgt gewöhnlich unter Wärme bzw. Druck, wobei Keramikverbindung zu vermeiden, wird jedoch ein die Temperatur normalerweise zwischen Zimmer- 45 niedriger Teildruck des Wasserstoffs vorgezogen,
temperatur und 200° C liegt. Im allgemeinen werden Es ergab sich, daß die im Bereich zwischen etwa Drücke- im Bereich zwischen 210 und 1050 atü an- 1400 und 1800° C gebrannte Anordnung 30, 30' gewandt. Unter diesen Bedingungen bewirken die wirksam »geschlossen« war, d. h., sie wurde gasdicht. Kunstharze in der Keramik, daß sich beide Schichten Die Temperatur, bei welcher die Sinterung einwanddauerhaft zu einem Baustein verbinden. 50 frei verläuft, wird durch die Menge und die Art der

Die in den Leiterbahnen befindliche Druckfarbe Zusatzmittel zur Keramik, z. B. Magnesiumsilikat, steigt unter hohem Druck in die Verbindungsboh- bestimmt sowie durch die ursprünglich in den Kerarungen 32 und 32' und bedeckt teilweise die Wände mikteilchen gespeicherte Oberflächenenergie,
der Bohrungen. Um einen vollständigen Überzug der In F i g. 9 ist der Widerstand der Leiterbahnen Löcher 32 und 32' zu gewährleisten, werden die Boh- 55 gezeigt, die aus Silber und Molybdän in verschiedenen rangen in einem gesonderten Verfahrensschritt ein- Mischungsverhältnissen bestehen. Der Widerstand ist gefärbt. Weitere Keramikschichten mit Leiterbahnen am niedrigsten, wenn die gesamte vorhandene Metall- und entsprechenden Verbindungsbohrungen (F i g. 3) masse etwa 30 % Silber enthält. Größenordnungskönnen dann auf die Anordnung nach Fig. 4 aufge- mäßig entspricht dies der Erwartung unter der Vorbracht werden. Auf diese Weise wird der Aufbau 60 aussetzung, daß die Hohlräume vollständig in einem der Scheibenschichten bis zur gewünschten Anzahl Teilchenverband mit der Größenverteilung und den von Lagen fortgesetzt. Aus Gründen der Klarheit Formeigenschaften der Teilchen des verwendeten sind in den Fig. 3 bis 8 nur jeweils zwei Schichten Molybdänpulvers ausgefüllt werden,
gezeigt. Ebenso lassen sich, jedoch in einem geringeren

Die geschichtete Anordnung 30' wird dann durch 65 Grade, wie in F i g. 9 gezeigt, niedrige elektrische den Brennvorgang zur monolithischen Struktur 40 Widerstände für die in den keramischen Bausteinen (F i g. 5 und 8), wobei der Brennvorgang in einer bei 1450 bis 1600° C gebrannten Silbermolybdänchemisch inaktiven oder vorzugsweise reduzierenden legierungen erzielen, wenn im Verbundmetall nicht

30 °/o, sondern zwischen etwa 10 und etwa 60 °/o Silber vorhanden sind, wobei der Rest der Legierung aus Molybdän besteht.

Die verschiedenen anderen vorstehend erwähnten speziellen Verbundmetalle scheinen sich gemäß der gleichen allgemeinen Kurve der F i g. 9 zu verhalten. Im allgemeinen können die so hergestellten Verbundmetalleiter wirksam verwendet werden, wenn sich die Silber-, Gold- und Kupferanteile der Metallegierung zwischen etwa 10 und 60 ⁰Zo der Masse bewegen und der jeweilige Rest aus einem feuerfesten Metall, d. h. entweder Wolfram oder Molybdän besteht.

Ein derart hergestellter monolithischer Baustein besaß eine Biegefestigkeit von 9,14-10⁵ atü, und der spezifische Widerstand liegt in den meisten Fällen unter 0,06 Ohm pro Quadratflächeneinheit bei einer Leitungsbahndicke von 3-10~^s cm.

Durch die Anwendung einer chemisch inaktiven Ofenatmosphäre, wie Argon oder die Verwendung von Wasserstoff zur Bildung einer reduzierenden Atmosphäre während des Brennvorganges werden die Metallkomponenten nicht nachteilig beeinflußt, und andererseits wird die vollständige Auflösung und Verdunstung der in der Form von Bindemittel für das keramische Material vorhandenen organischen Stoffe völlig unerwarteterweise nicht verhindert. Im bisherigen Stand der Technik nahm man an, daß ein Oxydationsmittel, wie Sauerstoff oder Wasserdampf zum Entfernen der organischen Bindemittel beim Brennen der Keramikscheiben erforderlich war, und daß daher eine reduzierende Atmosphäre wie reiner Stickstoff beim Brennvorgang so lange nicht benutzt werden könnte, bis die organischen Bestandteile oxydiert sind. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die organischen Bestandteile schnell und leicht durch Reaktion mit reinem Wasserstoff entfernt werden können, wobei sich Wasser und Kohlenwasserstoffe von niedrigem Molekulargewicht bilden. Daher läßt sich reiner Wasserstoff vom Anbeginn des Brennens als Ofenatmosphäre verwenden.

Im folgenden werden spezielle Beispiele für ein Herstellungsverfahren gegeben:

Beispiel 1

Eine grüne Tonerdescheibe wurde wie folgt hergestellt:

Die folgenden Bestandteile wurden in einer Kugelmühle zusammengemischt:

Dichloräthylen 1500 cm³

Tonerde (6% Talkum) 3000 g

Acyclisches Esterharz 600 g

Butyl-Benzo-Phthalat-Weichmacher .. 200 g

In der Kugelmühle wurden diese Bestandteile gründlich in einer Zeit von 24 + 1 Stunde durchgemischt. Der entstehende Schlamm wurde dann auf eine ebene glatte Oberfläche in bestimmter Dicke gegossen, die in diesem Fall 0,069 ± 0,005 mm betrug.

Das Lösungsmittel Dichloräthylen wurde bei einer niedrigen Temperatur verdampft, und der entstehende Streifen wurde durch die Schichtung von acht Streifenlagen bei einer Temperatur von 150° C und einem Druck von 352 atü während einer Zeit von 10 Sekunden zu einer Verbundanordnung von 0,549 mm Dicke aufgebaut.

Dieser Tonerdescheibe von 0,549 mm Dicke wurden die Leiterbahnen durch Siebdruck unter Verwendung einer Druckfarbe mit den folgenden Bestandteilen aufgedruckt (Volumprozent).

Kiefernöl 80%

Gold -10%

Molybdän 10%

Unter Anwendung eines Druckes von 352 atü und einer Temperatur von 150° C für eine Zeit von Sekunden wurde eine Tonerdescheibe von 0,127 mm Dicke mit den gelochten Verbindungsbohrungen auf die Tonerdescheibe von 0,549 mm Dicke aufgebracht.

Das Laminat wurde dann in einen Brennofen mit einer Wasserstoffatmosphäre eingebracht. Die Temperatur wurde langsam auf 1400° C erhöht, bei der sie für 30 Minuten blieb. Dann wurde der Ofen abgeschaltet und der Baustein herausgenommen, nachdem sich der Ofen bis auf 200° C abgekühlt hatte.

Der spezifische Widerstand der Leiterbahnen des so hergestellten Bausteines war sehr niedrig. Die im Keramikbaustein verkapselte Schaltung hatte eine Länge von 29,5 mm, eine Breite von 0,4 mm und eine Dicke von 0,06 mm. Der Ohmsche Gesamtwiderstand betrug 13,5 Ohm, wobei der spezifische Widerstand bei der Dicke des Materials 0,042 Ohm pro Quadratflächeneinheit betrug.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel wurde ein Verbundmetall, bestehend aus 10 % Silber und 90 % Molybdän, auf den Keramikträger aufgebracht, wobei alle anderen Bedingungen des Verfahrens und der verwandten Baustoffe im wesentlichen denen des Beispiels 1 ent-

35 sprachen.

Die Biegefestigkeit des monolithischen Keramikbausteins betrug etwa 9,14 ·10⁵ atü, und der spezifische Widerstand war annähernd gleich dem des Beispiels 1.

40

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltung in keramischer Monolithbauweise, bei der die elektrischen Schaltungsmittel in einem nach deren Aufbringen gesinterten monolithischen Keramikwerkstoff eingekapselt sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die elektrischen Schaltungsmittel ein Zweikomponentenverbundmetall vorgesehen ist, von dem der eine Metallanteil einen Schmelzpunkt unterhalb der Sintertemperatur des Keramikwerkstoffes aufweist und der andere Metallanteil ein feuerfestes Metall darstellt, dessen Schmelzpunkt erheblich über der Sintertemperatur des Keramikwerkstoffes liegt, daß das feuerfeste Metall in dem Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt mindestens zu einem geringen Grad löslich ist und daß das Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt eine kleine Oberflächenspannung gegenüber dem feuerfesten Metall sowie einen genügend niedrigen Dampfdruck bei Sintertemperatur besitzt.

2. Elektrische Schaltung in keramischer Monolithbauweise, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verbundmetall zusammensetzt aus 10 bis 60 % (Volumen) eines Metalls aus der Gruppe Silber, Gold und Kupfer für das Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt und 90 bis 40 % (Vo-

lumen) eines Metalls aus der Gruppe Wolfram und Molybdän für das feuerfeste Metall und daß in dem Keramikwerkstoff zweite elektrische Schaltungsmittel vorgesehen sind, die die ersten elektrischen Schaltungsmittel elektrisch mit einem außenliegenden Punkt verbinden.

3. Elektrische Schaltung in keramischer Monolithbauweise nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten elektrischen Schaltmittel Leiterbahnen (34) sind. io.

4. Elektrische Schaltung in keramischer Monolithbauweise nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten elektrischen Schaltungsmittel (34) Leiterbahnen mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 0,1 Ohm pro Quadratflächeneinheit und 0,0254 mm Dicke sind.

5. Elektrische Schaltung in keramischer Monolithbauweise nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik (30) hauptsächlich aus Tonerde besteht.

6. Elektrische Schaltung in keramischer Monolithbauweise nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik zu etwa 94% aus Tonerde und der Rest aus Magnesiumsilikat besteht.

7. Elektrische Schaltung in keramischer Monolithbauweise nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten elektrisch leitenden Mittel mindestens eine Bohrung (32) enthalten, die von einem Teil der elektrischen Schaltung zu einem außenliegenden Punkt führt, wobei die Bohrung an ihrer Innenfläche einen elektrisch leitenden Metallauftrag besitzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen