DE19628680C2

DE19628680C2 - Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Keramiksubstrats

Info

Publication number: DE19628680C2
Application number: DE19628680A
Authority: DE
Inventors: Junzo Fukuta; Yoshiaki Yamade; Masaya Hashimoto; Hidenori Kataura; Koji Shibata; Nozomi Tanifuji
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-07-17
Filing date: 1996-07-16
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2016-07-17
Also published as: US5814366A; JPH0992983A; DE19628680A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus JP 5-163 072 (A) ist es bekannt, ein mehrschichtiges Kera miksubstrat mit integriertem Kondensator unter Druckbeauf schlagung zu brennen, jedoch wird der Kondensator vorher ge brannt und dann an einen der keramischen grünen Preßkörperbö gen laminiert. Danach wird die zusammengebaute Anordnung der keramischen Preßkörperbögen und des schon gebrannten Kondensa tors unter Druckbeaufschlagung gebrannt. Dadurch, daß der Kon densator vor dem Brennen des Keramiksubstrats gesondert ge brannt wird, ergeben sich entsprechende Herstellungskosten.

Ein keramisches Material für das Substrat und ein dielek trisches Material für den Kondensator unterscheiden sich hin sichtlich der chemischen Zusammensetzung und der Brennschwind eigenschaft. Deshalb führt ein gemeinsames Brennen der durch Laminieren verbundenen Materialien häufig zu einer Aufwölbung, zur Rißbildung oder einer Deformation des Substrats. Hinzu kommt, daß die Dichte in der gesinterten Schicht reduziert wird, wenn sich die Materialien hinsichtlich der Temperatur unterscheiden, bei der der Sintervorgang beendet wird.

Hierdurch kann die Isolierfähigkeit zwischen Verdrahtungslei tern im Substrat erniedrigt werden, wenn die Dichte in den gesinterten Schichten des keramischen Materials verringert wird. Andererseits wird auch die Isoliereigenschaft des di elektrischen Materials des Kondensators beeinträchtigt, wenn die Dichte des dielektrischen Materials beim Sintern reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß es einfacher und damit kostengünstiger durchgeführt werden kann, wobei dennoch ein Aufwölben, eine Rißbildung oder eine Deformation des Sub strats und eine Reduzierung der Dichte sowohl der Isolierschichten, als auch des dielektrischen Materials nach dem Brennen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß der Kon densator im dem Substratlaminat ausgebildet und zusammen mit diesem gebrannt wird, wird eine Vereinfachung des Verfahrens mit entsprechender Einsparung an Kosten erreicht. Durch die Druckbeaufschlagung beim Brennen wird einerseits eine Reduzie rung der Dichte des dielektrischen Materials vermieden, wenn der Druck über 19,6 N/cm² liegt, während andererseits eine De formation des Substrats vermieden wird, wenn der angelegte Druck auf 196 N/cm² begrenzt wird.

Die Dichte der dielektrischen Schicht kann beim Brennen unter Druckbeaufschlagung derart erhöht werden, daß ein Eindringen von Feuchtigkeit in die dielektrische Schicht selbst dann ver hindert wird, wenn der Kondensator als ungesinterter Preßkör per aus dielektrischem Material, also als Grünling, in dem Substratlaminat ausgebildet wird. Dadurch, daß ein Eindringen von Feuchtigkeit verhindert wird, wird auch die Gefahr eines Kurzschlusses an dem Kondensator verhindert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weite ren Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A einen Schnitt durch ein Substrat nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 1B einen Schnitt durch das Substrat mit abgezogenen Preßkörper-Schutzschichten und aufgedruckten Oberflächenleitern,

Fig. 2A bis 2D Ansichten, die Herstellungsschritte bei einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigen;

Fig. 3A einen Schnitt des Substrats beim zweiten Ausfüh rungsbeispiel, wobei die Preßkörper-Schutzschichten an seinen beiden Seiten laminiert sind; und

Fig. 3B einen Schnitt des Substrats beim zweiten Ausfüh rungsbeispiel, wobei die Preßkörper-Schutzschichten entfernt sind und Oberflächenleiter auf gedruckt sind.

Erstes Ausführungsbeispiel 1. Herstellung von Isolierpreßkörperbögen 11 (Preßkörper- Isolierschichten bzw. grüne Isolierschichten)

Eine Mischung, die 10 bis 55 Gew.-% CaO, 45 bis 70 Gew.-% SiO₂, 0 bis 30 Gew.-% Al₂O₃ und 5 bis 20 Gew.-% B₂O₃ enthält, wird bei 1.450°C geschmolzen, damit sie glasartig bzw. kera misch gebunden wird. Danach wird die glasartige bzw. kera misch gebundene Mischung schnell in Wasser getaucht und dann in ein Glaspulver eines Systems aus CaO-SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃ mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser im Bereich von 3,0 und 3,5 µm pulverisiert. Ein mit einem bei niedriger Tempera tur gemeinsam brennbaren keramischen Isolierer gemischtes Pulver wird durch Mischen von 50 bis 65 Gew.-% (vorzugsweise 60 Gew.-%) Glaspulver und 50 bis 35 Gew.-% (vorzugsweise 40 Gew.-%) Aluminiumoxidpulver mit einem durchschnittlichen Korn durchmesser von 1,2 µm hergestellt. Ein Lösungsmittel, wie beispielsweise Toluen oder Xylen, ein Bindemittel, wie bei spielsweise ein Acryl-Kunstharz, und ein Plastizierer, wie beispielsweise DOM werden zu dem gemischten Pulver hinzuge fügt. Die Mischung wird gut vermischt, so daß ein dünnflüssi ger Schlamm mit einer Viskosität von 2 bis 40 Ns/m² er halten wird. Der Schlamm wird durch ein herkömmliches Abstrich- Verfahren in einen Isolierpreßkörperbogen 11 mit einer Dicke von 0,3 mm geformt. Der Isolierpreßkörperbogen 11 wird in den abhängigen Ansprüchen als Preßkörper-Isolierschicht und als bei einer Temperatur im Bereich zwischen 800 und 1.000°C brennbar beansprucht.

2. Herstellung von Schutz-Preßkörperbögen (Preßkörper-Schutzschichten) 13 (Aluminiumoxidpulver- Preßkörperschichten)

Das Lösungsmittel, das Bindemittel und der Plastizierer, die dieselben wie jene sind, die oben angegeben sind, werden mit einem Aluminiumoxidpulver mit einem durchschnittlichen Korndurch messer von 1,0 µm vermischt. Die Mischung wird gut in einen dünnflüssigen Schlamm vermischt. Der Schlamm wird durch das herkömmliche Abstrich-Verfahren in einen Aluminiumoxid- Preßkörperbogen mit einer Dicke von 0,3 mm geformt. Der grüne Bogen wird als Schutz-Preßkörperbogen 13 verwendet, wie es später beschrieben wird. Der Schutz- Preßkörperbogen 13 ist dazu geeignet, gesintert zu werden, wenn er bis zu einem Bereich von 1.550 bis 1.600°C erwärmt wird.

3. Herstellung einer dielektrischen Paste 12

Eine Pb-Perowskit-Verbindung, wie beispielsweise PbO-Fe₂O₃- Nb₂O₅-WO₃-ZnO, wird als bei niedriger Temperatur gemeinsam brennbares keramisches dielektrisches Material verwendet. Eine vorbestimmte Menge der Verbindung wird auf Waagschalen ab gewogen und dann aufeinanderfolgend pulverisiert, gemischt und getrocknet. Die getrocknete Verbindung wird dann bei 850°C kalziniert, und darauffolgend, nachdem sie getrocknet worden ist, naßgemahlen und in ein dielektrisches Pulver ge formt, das einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 2 µm hat. Ein Bindemittel, wie beispielsweise Ethylzellulose, und ein Lösungsmittel, wie beispielsweise Terpineol, werden zu dem erhaltenen dielektrischen Pulver hinzugefügt, und dann wird die Mischung durch eine Dreiwalzen-Mischmaschine in eine dielektrische Paste 12 vermischt, die aus dem bei niedriger Temperatur gemeinsam brennbaren keramischen dielektrischen Material besteht. Die dielektrische Paste 12 wird mittels Siebdruck auf den Isolierpreßkörperbogen 11 gebracht, damit er in eine dielektrische Preßkörperschicht geformt wird, wie es später beschrieben wird. Die dielektrische Paste 12 ist mit dem Isolierpreßkörperbogen 11 bei 1.000°C oder darunter gemeinsam brennbar.

4. Herstellung einer Widerstandspaste des Systems RuO₂

Eine Mischung eines RuO₂-Pulvers mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,1 mm und einem Glaspulver aus CaO-SiO₂- Al₂O₃-B₂O₃ wird als Material für einen Widerstand verwendet. Ein Bindemittel, wie beispielsweise Ethylzellulose, und ein Lösungsmittel, wie beispielsweise Terpineol, werden zur Mi schung hinzugefügt, und die Mischung wird dann durch die Dreiwalzen-Mischmaschine in eine Widerstandspaste 14 des RuO₂-Systems vermischt. Die Widerstandspaste 14 ist auch mit dem Isolierpreßkörperbogen 11 bei 1.000°C oder darunter ge meinsam brennbar.

5. Herstellung einer Elektrodenleiterpaste 15

In den Beispielen 1 bis 4, die später beschrieben werden, wird Au oder eine Au-Legierung, wie beispielsweise Au/Pd/Ag, als Elektrodenleitermaterial für einen eingebauten Kondensa tor verwendet. Das Bindemittel, wie beispielsweise Ethylzel lulose, und das Lösungsmittel, wie beispielsweise Terpineol, werden zu einem Au-Pulver mit einem durchschnittlichen Korn durchmesser von 1 µm oder zu einem Au-Legierungspulver hinzu gefügt, und die Mischung wird dann durch die Dreiwalzen- Mischmaschine in eine Elektrodenleiterpaste 15 vermischt.

In den Beispielen 5 bis 8, die später beschrieben werden, wird eine Mischung aus einem Ag-Pulver und einem Pd-Pulver mit einem Gewichtsverhältnis von Ag/Pd im Bereich zwischen 90/10 und 60/40 oder aus einem Ag/Pd-Legierungspulver mit demselben Gewichtsverhältnis, wie es oben beschrieben ist, als Elektrodenleitermaterial verwendet. Das Bindemittel, wie beispielsweise Ethylzellulose, und das Lösungsmittel, wie beispielsweise Terpineol, die beide dieselben wie jene sind, die oben beschrieben sind, werden zur Mischung hinzugefügt. Die Mischung wird dann durch die Dreiwalzen-Mischmaschine vermischt, damit sie in eine Elektrodenleiterpaste 15 ausge bildet wird.

6. Herstellung von Verdrahtungs- und Zwischenschicht- Durchgangsleiterpasten 16 und 17

Au, Ag, Ag/Pd, Ag/Pt oder Cu wird als Leitermaterial für eine Verdrahtungs- und Zwischenschicht-Durchgänge verwendet, die beide in den inneren Schichten des Substrats ausgebildet wer den. Das Bindemittel, wie beispielsweise Ethylzellulose, und das Lösungsmittel, wie beispielsweise Terpineol, die beide dieselben wie jene sind, die oben beschrieben sind, werden zum Metallpulver hinzugefügt. Die Mischung wird dann durch die Dreiwalzen-Mischmaschine vermischt, damit sie in Elektro denleiterpasten 16 und 17 ausgebildet wird.

7. Herstellung einer Oberflächenschicht-Leiterpaste 20

Au, Ag, Ag/Pd, Ag/Pt oder Cu wird als Material für einen Ver drahtungsleiter verwendet, der in einer Oberflächenschicht des Substrats ausgebildet wird. Die Metallpaste wird durch dasselbe Verfahren, wie es oben beschrieben ist, in eine Oberflächenschichtleiterpaste 20 ausgebildet.

8. Stanzen, Drucken und Laminieren

Die Isolierpreßkörperbögen 11 und die Schutz-Preßkörperbögen 13 werden derartig geschnitten, daß sie jeweils vorbestimmte Abmessungen haben. Durchgangslöcher 18 werden an vorbestimm ten Stellen in den Isolierpreßkörperbögen 11 durch Stanzen ausgebildet. Die Durchgangslöcher 18 werden dann mit der Zwischenschicht-Durchgangsleiterpaste 17 aufgefüllt, und die Verdrahtungsleiterpaste 16 mit derselben Zusammenset zung wie die Paste 17 wird mittels Siebdruck auf den Isolier preßkörperbögen 11 aufgebracht, damit sie in Verdrahtungsmu ster ausgebildet wird. Die Elektrodenleiterpaste 15 wird mit tels Siebdruck auf einem Isolierpreßkörperbogen 11 an einer inneren Schicht aufgebracht, in dem ein Kondensator 19 auszu bilden ist, woraufhin eine untere Elektrode des Kondensators 19 ausgebildet wird. Die dielektrische Paste 12 wird mittels Siebdruck auf der oberen Oberfläche der unteren Elektrode aufgebracht, damit sie in eine dielektrische Schicht mit ei ner Dicke von 60 µm ausgebildet wird. Weiterhin wird die Elektrodenleiterpaste 15 mittels Siebdruck auf der oberen Oberfläche der dielektrischen Schicht aufgebracht, damit sie in eine obere Elektrode des Kondensators 19 ausgebildet wird. Zusätzlich wird die Widerstandspaste 14 des RuO₂-Systems mit tels Siebdruck auf einem anderen Isolierpreßkörperbogen 11 der inneren Schicht aufgebracht, damit sie zu einem Wider stand ausgebildet wird. Die oben beschriebenen Preßkörperbö gen 11 werden miteinander in ein Substratlaminat laminiert, welches Laminat auf 80 bis 150°C erwärmt und dann bei 50 bis 250 kg/cm² gepreßt wird, damit es dadurch in einen einzigen Körper integriert wird. Weiterhin werden die ungebrannten Schutz-Preßkörperbögen 13 jeweils an beide Seitenflächen des Substratlaminats laminiert, und das Laminat wird unter den selben Bedingungen, wie sie oben beschrieben sind, erwärmt und dann gepreßt.

9. Brennen

Das wie oben beschrieben hergestellte Substratlaminat wird bei einer Brenntemperatur für das Substrat von 800 bis 1.000°C (vorzugsweise 900°C) gebrannt, während normal zu ei ner freiliegenden Oberfläche eines der Schutz-Preßkörperbögen 13 Druck auf das Laminat ausgeübt wird, wobei der Druck im Bereich zwischen 19,6 und 196 N/cm² liegt. Somit wird das mehr schichtige Keramiksubstrat gemeinsam mit dem Kondensator 19 und dem Widerstand, die darin enthalten sind, gebrannt. Das Laminat kann in Sauerstoffatmosphäre (Luft) gebrannt werden wenn Ag, Ag/Pd, Au oder Ag/Pt als Verdrahtungs- und Zwischen schicht-Durchgangsleiterpasten 16 und 17 verwendet worden, sind, wohingegen das Laminat in einer reduzierenden Atmosphä re zur Verhinderung einer Oxidation gebrannt werden muß, wenn jeweils Cu als Verdrahtungs- und Zwischenschicht- Durchgangsleiterpasten 16 und 17 verwendet worden ist. Dies bezüglich bleiben, da die Schutz-Preßkörperbögen 13 (Aluminiumoxid-Preßkörperbögen), die an beide Seitenflächen des Substrats laminiert sind, bei 1.550 bis 1.600°C gesintert werden, die Schutz-Preßkörperbögen 13 ungesintert, wenn das Substratlaminat bei 800 bis 1.000°C gebrannt wird. Das Lö sungsmittel und/oder das Bindemittel in den Schutz- Preßkörperbögen, 13 werden beim Brennverfahren zerteilt, so daß Aluminiumoxidpulver zurückbleibt.

10. Endbearbeitung

Die Schutz-Preßkörperbögen 13 oder das an beiden Seitenflä chen des Substrats haftende Aluminiumoxidpulver wird nach dem Brennen durch Polieren oder ähnliches entfernt. Darauffolgend wird die Oberflächenschichtleiterpaste 20 mittels Siebdruck auf und unter das Substrat aufgebracht, damit sie in Verdrah tungsmuster ausgebildet wird, und das Substrat wird bei 1.000°C oder darunter gebrannt, wodurch die Herstellung des mehrschichtigen Keramiksubstrats mit eingebautem Kondensator 19 und Widerstand beendet wird.

Die fol gende TABELLE 1 zeigt Beispiele 1 bis 4 gemäß dem oben be schriebenen Verfahren, und die darauffolgenden TABELLE 2 zeigt den Vergleichsfall. Es wurde Au oder eine Au-Legierung, wie beispielsweise Au/Pd/Ag, als Elektrodenleitermaterial für den Kondensator 19 verwendet.

TABELLE 1

TABELLE 2

BEISPIEL 1

Eine Mischung von 60 Gew.-% Glas des CaO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃- Systems und von 40 Gew.-% Aluminiumoxidpulver wurde als kerami sches Isoliermaterial verwendet, das jeden Isolierpreßkörper bogen 11 bildet. Eine Pb-Perowskit-Verbindung (PbO-Fe₂O₃- Nb₂O₅-WO₃-ZnO) wurde als Material für ein Dielektrikum für den Kondensator 19 verwendet. Au wurde als Material für Elektro denleiter des Kondensators 19 verwendet. Ag wurde als Materi al für die Verdrahtungsleiter der inneren Schicht verwendet. Glas des RuO₂-Systems wurde als Material für den Widerstand der inneren Schicht verwendet. Ag/Pd wurde als Material für den Leiter der Oberflächenschicht verwendet. Jeder Schutz- Preßkörperbogen 13 war aus Aluminiumoxid. Das wie oben beschrieben zusammengesetzte Substratlaminat wurde bei 900°C gebrannt, wobei es mit 19,6 N/cm² gedrückt wurde. Im Substrat wurde keine Wölbung, kein Riß oder keine Deformie rung erzeugt. Weiterhin wurde ein Zuverlässigkeitstest für den Kondensator bei hoher Temperaturbelastung ausgeführt. Bei diesem Test wurde eine Dauerbelastung von 50 V Gleichstrom bei 150°C für 1.000 Stunden an das Substrat angelegt. Als Er gebnis des Tests wurde keine Verschlechterung bezüglich des Isolierwiderstands in der dielektrischen Schicht des Konden sators 19 gefunden, und es wurde ein Isolierwiderstand von 10⁶ Ω sichergestellt. Weiterhin war die Dielektrizitätskon stante der dielektrischen Schicht 2.500 und jene der Isolier schicht war 7,7.

BEISPIEL 2

Eine Mischung aus 60 Gew.-% Glas des MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃- Systems und aus 40 Gew.-% Aluminiumoxidpulver wurde als kerami sches Isoliermaterial verwendet, das den Isolierpreßkörperbo gen 11 bildet. Eine Verbindung des SrTiO₃-Systems wurde als Material für ein Dielektrikum für den Kondensator 19 verwen det. Au wurde als Material für Elektrodenleiter des Kondensa tors 19 verwendet. Ag/Pd wurde als Material für die Verdrah tungsleiter der inneren Schicht verwendet. Es war kein Wider stand der inneren Schicht vorgesehen. Cu wurde als Material für den Oberflächenschichtleiter verwendet. Jeder Schutz- Preßkörperbogen 13 war ein Aluminiumoxid-Preßkörperbögen. Das wie oben beschrieben zusammengesetzte Substratlaminat wurde bei 900°C gebrannt, wobei es mit 98 N/cm² gedrückt wurde. Keine Wölbung, kein Riß oder keine Deformierung wurde im Substrat erzeugt. Weiterhin wurde als Ergebnis des Zuverlässigkeits tests für den Kondensator bei hoher Temperaturbelastung keine Verschlechterung bezüglich des Isolierwiderstandes in der dielektrischen Schicht des Kondensators 19 herausgefunden, und ein Isolierwiderstand von 10⁶ Ω oder darüber wurde gesi chert. Weiterhin war die Dielektrizitätskonstante der dielek trischen Schicht 200, und jene der Isolierschicht war 6,2.

BEISPIEL 3

Unterschiedlich zum Substrat des BEISPIELS 1 weist das Substrat des BEISPIELS 3 die Kondensatorelektrodenleiter auf, die jeweils aus Au/Pd/Ag gebildet sind, wobei der Widerstand der inneren Schicht aus Glas aus Bi₂Ru₂O₇ gebildet ist. Die andere Zusammensetzung des Substrats des BEISPIELS 3 war die selbe wie jene des BEISPIELS 1. Das wie oben beschrieben zu sammengesetzte Substratlaminat wurde bei 900°C gebrannt, wo bei es mit 196 N/cm² gedrückt wurde. Keine Wölbung, kein Riß oder keine Deformierung wurde im Substrat erzeugt. Weiterhin wurde als Ergebnis des Zuverlässigkeitstests beim Kondensator bei hoher Temperaturbelastung keine Verschlechterung bezüg lich des Isolierwiderstandes in der dielektrischen Schicht des Kondensators 19 gefunden, und ein Isolierwiderstand von 10⁶ Ω oder darüber wurde gesichert. Darüber hinaus war die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht 4.000, und jene der Isolierschicht war 7,7.

BEISPIEL 4

Im Unterschied zum Substrat des BEISPIELS 1 weist das Substrat des BEISPIELS 4 den Verdrahtungsleiter der inneren Schicht auf, der aus Au gebildet ist, und den aus Ag/Pt ge bildeten Oberflächenschichtleiter. Das Substrat des BEISPIELS 4 hat keinen Widerstand der inneren Schicht. Die andere Zu sammensetzung des Substrats des BEISPIELS 4 war dieselbe wie jene des BEISPIELS 1. Das wie oben beschrieben zusammenge setzte Substratlaminat wurde bei 900°C gebrannt, wobei es mit 196 N/cm² gedrückt wurde. Keine Wölbung, kein Riß oder keine Deformierung wurde im Substrat erzeugt. Darüber hinaus wurde als Ergebnis des Zuverlässigkeitstests des Kondensators be züglich einer hohen Temperaturbelastung keine Verschlechte rung des Isolierwiderstandes in der dielektrischen Schicht des Kondensators 19 herausgefunden, und ein Isolierwiderstand von 10⁶ Ω oder darüber wurde gesichert. Darüber hinaus war die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht 3.000, und jene der Isolierschicht war 7,7.

Wie es aus den oben beschriebenen BEISPIELEN 1 bis 4 offen sichtlich ist, kann dann, wenn das Substratlaminat gebrannt wird, während es mit einem Druck im Bereich von 19,6 bis 196 N/cm² gedrückt wird, das Wölben, das Zerreißen oder das De formieren im Substrat verhindert werden, und die Dichte des Substrats (der Isolierschicht und der dielektrischen Schicht) nach dem Brennen kann verbessert werden, so daß eine bessere Isolierfähigkeit sowohl der Isolierschichten als auch der dielektrischen Schichten erhalten werden kann. Das mehr schichtige Keramiksubstrat wird deformiert, wenn der daran angelegte Druck während des Brennens 196 N/cm² überschrei tet, wohingegen der angelegte Druck so klein ist, daß die Dichte des Substrats nicht verbessert werden kann, wenn der angelegte Druck unter 19,6 N/cm² ist. Folglich ist ein geeig neter Bereich für den angelegten Druck zwischen 19,6 und 196 N/cm².

VERGLEICHSFALL 1

Im Unterschied zum BEISPIEL 1 wurde beim VERGLEICHSFALL 1 ein Substratlaminat verwendet, das keinen Widerstand der inneren Schicht und keine Schutz-Preßkörperbogen 13 aufweist. Das Substratlaminat wurde ohne Druckbeaufschlagung bei 900°C ge brannt. Bei diesem Brennverfahren wurde eine Wölbung von 40 µm im Substrat erzeugt. Dies zeigt, daß das Brennen unter Druck zum Verhindern einer Wölbung im Substrat wirksam ist.

Da Au oder die Au-Legierung sowohl bei den BEISPIELEN 1-4 als auch beim VERGLEICHSFALL 1 als Elektrodenleiter verwendet wurde, wurde bei dem Isolierwiderstand in der dielektrischen Schicht des Kondensators 19 keine Verschlechterung gefunden. Folglich wurde die Isolierzuverlässigkeit in der dielektri schen Schicht verbessert.

Die folgende TABELLE 3 zeigt BEISPIELE 5 bis 8 und die dar auffolgende TABELLE 4 zeigt VERGLEICHSFÄLLE 2 und 3. Ag/Pd wurde als Material für die Elektrodenleiter des Kondensators 19 bei sowohl den Beispielen als auch den Vergleichsfällen verwendet.

TABELLE 3

TABELLE 4

Beim BEISPIEL 5 wurde Ag/Pd mit einem Gewichtsverhältnis für Ag/Pd von 70/30 als Material für die Elektrodenleiter verwen det. Die andere Zusammensetzung des Substrats und die Brenn bedingungen beim BEISPIEL 5 waren dieselben wie jene beim BEISPIEL 1.

Beim BEISPIEL 6 wurde Ag/Pd mit einem Gewichtsverhältnis für Ag/Pd von 90/10 als Material für die Elektrodenleiter verwen det. Die andere Zusammensetzung des Substrats und die Brenn bedingungen beim BEISPIEL 6 waren dieselben wie jene beim BEISPIEL 2.

Beim BEISPIEL 7 wurde Ag/Pd mit einem Gewichtsverhältnis für Ag/Pd von 80/20 als Material für die Elektrodenleiter verwendet. Die andere Zusammensetzung des Substrats und die Brenn bedingungen beim BEISPIEL 7 waren dieselben wie jene beim BEISPIEL 3.

Beim BEISPIEL 8 wurde Ag/Pd mit einem Gewichtsverhältnis für Ag/Pd von 70/30 als Material für die Elektrodenleiter verwen det. Die andere Zusammensetzung des Substrats und die Brenn bedingungen beim BEISPIEL 8 waren dieselben wie jene beim BEISPIEL 4.

Bei den BEISPIELEN 5 bis 8 wurde kein Wölben, kein Reißen oder kein Deformieren in den Substraten nach dem Brennen er zeugt, wie auch in den vorangehenden BEISPIELEN 1 bis 4. Wei terhin wurde als Ergebnis des Kondensator- Hochtemperaturbelastungs-Zuverlässigkeitstest keine Ver schlechterung bezüglich des Isolierwiderstandes in der die lektrischen Schicht des Kondensators 19 gefunden, und ein Isolierwiderstand von 10⁷ Ω oder darüber wurde bein jedem der BEISPIELE 5 bis 8 sichergestellt, welcher Wert um eine Stelle höher war als jener bei jedem der BEISPIELE 1 bis 4. Die Di elektrizitätskonstante bein den BEISPIELEN 5 bis 8 waren um 10 bis 25% kleiner als jene bein den BEISPIELEN 1 bis 4.

Der VERGLEICHSFALL 2, der in TABELLE 4 gezeigt ist, unter schied sich vom BEISPIEL 5 darin, daß kein Widerstand der in neren Schicht vorgesehen war, daß kein Schutz-Preßkörperbogen verwendet wurde, und daß das Substratlaminat während des Brennens nicht gedrückt wurde. Beim VERGLEICHSFALL 2 wurde eine Wölbung von 60 µm in dem gebrannten Substrat erzeugt. Dies zeigt, daß das Brennen unter Druck bezüglich des Verhin derns einer Wölbung im Substrat effektiv ist.

Weiterhin unterschied sich der VERGLEICHSFALL 3 vom BEISPIEL 5 darin, daß Ag/Pd mit einem Gewichtsverhältnis für Ag/Pd von 95/5 als Material für die Elektrodenleiter verwendet wurde, daß kein Widerstand der inneren Schicht vorgesehen war, und daß Ag/Pt als Material für den Oberflächenschichtleiter verwendet wurde. Kein Wölben, kein Zerreißen, oder keine Defor mierung wurde im Substrat des VERGLEICHSFALLS 3 erzeugt, wenn dasselbe bei 900°C gebrannt wurde, wobei es mit 98 N/cm² gedrückt wurde. Jedoch wurde im Kondensator- Hochtemperaturbelastungs-Zuverlässigkeitstest eine Ver schlechterung bezüglich des Isolierwiderstands in der dielek trischen Schicht des Kondensators 19 gefunden, und ein Kurz schluß fand nach dem Verstreichen von 20 Stunden statt. Es wird angenommen, daß dies aufgrund eines zu kleinen Anteils von Pd im Gewichtsverhältnis für Ag/Pd auftrat, das als Mate rial für die Elektrodenleiter verwendet wurde.

Andererseits war das Ag/Pd-Gewichtsverhältnis von Ag/Pd, das als Material für die Elektrodenleiter verwendet wurde, bei den BEISPIELEN 5 bis 8 im Bereich zwischen 90/10 und 60/40. In keinem der BEISPIELE 5 bis 8 wurde eine Verschlechterung bezüglich des Isolierwiderstandes in der dielektrischen Schicht des Kondensators 19 gefunden, so daß die Isolierzu verlässigkeit der dielektrischen Schicht verbessert wurde. Die Erfinder bestätigten experimentell, daß ein geeigneter Bereich des Gewichtsverhältnisses von Ag/Pd, das als Material für die Elektrodenleiter verwendet wurde, zwischen 90/10 und 60/40 lag, und daß die Isolierzuverlässigkeit der dielektri schen Schicht erniedrigt wurde, wenn das Gewichtsverhältnis von Ag/Pd außerhalb des oben angegebenen Bereichs lag.

Zweites Ausführungsbeispiel

Es wird allgemein bevorzugt, daß eine dielektrische Schicht nach dem Sintern eine Dicke von 30 µm oder darüber hat, um eine ausreichende Isolierfähigkeit zwischen den Elektroden leitern sicherzustellen, oder daß sie eine Dicke von 60 µm oder darüber hat, während sie in ihrer Pastenphase vor dem Sintern getrocknet wird. Wenn obere und untere Elektrodenlei ter zur dielektrischen Schicht hinzugefügt werden, sollte der gesamte Kondensator vor dem Sintern eine Dicke von 80 µm oder darüber haben. In der in den Fig. 1A und 1B gezeigten Laminatstruktur hat demgemäß die Schicht, auf der der Kondensator 19 auszubilden ist, einen abgestuften Teil einer Dicke von 80 µm oder darüber an ihrem Teil des Kondensators 19. Da der an gelegte Druck auf den Kondensator 19 konzentriert wird, ist es möglich, daß ein äußeres peripheres Ende des Kondensators 19 durch den angelegten Druck derart gedrückt wird, daß er deformiert wird. Dies kann die Isolierfähigkeit reduzieren.

Angesichts des oben beschriebenen Problems wird bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 2A bis 3B gezeigt ist, ein Abstandhalterungs- Isolierpreßkörperbogen 22 an eine Schicht laminiert, in der der Kondensator 19 auszubilden ist, um zu verhindern, daß das äußere periphere Ende des Kondensators 19 durch den angeleg ten Druck deformiert wird. Der Abstandhalterungs- Isolierpreßkörperbogen 22 hat eine Öffnung 21, die einen Aus bildungsbereich für die dielektrische Schicht 12 definiert. Der Abstandhalterungs-Isolierpreßkörperbogen 22 wird aus dem selben bei niedriger Temperatur sinterbaren Isolier- Keramikmaterial gebildet wie die anderen Schichten (Isolierschichten) im selben Verfahren, wie es im ersten Aus führungsbeispiel beschrieben ist. Jedoch hat der Abstandhal terungs-Isolierpreßkörperbogen 22 eine Dicke, die etwa die selbe wie die dielektrische Schicht 12 des Kondensators 19 und kleiner als die Isolierpreßkörperbögen 11 der anderen Schichten ist.

Das Herstellungsverfahren des zweiten Ausführungsbeispiels wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 3B beschrieben. Es werden die Unterschiede zwischen dem ersten und dem zwei ten Ausführungsbeispiel. Die identischen oder ähnlichen Teile des zweiten Ausführungsbeispiels sind mit denselben Bezugs zeichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung dieser Teile wird weggelassen.

Zuerst wird die Elektrodenleiterpaste 15 mittels Siebdruck auf den Isolierpreßkörperbögen 11 der unteren Schicht aufgebracht, auf der der Kondensator auszubilden ist, so daß eine untere Elektrode des Kondensators 19 gebildet wird. Darauf folgend wird der Abstandhalterungs-Isolierpreßkörperbogen 22, der die Öffnung 21 im Ausbildungsbereich der dielektrischen Schicht 12 des Kondensators 19 aufweist, an den Isolierpreß körperbogen 11 der unteren Schicht laminiert, wie es in Fig. 2A gezeigt ist. Die Öffnung 21 des Abstandhalterungs- Isolierpreßkörperbogen 22 wird dann mit dem bei niedriger Temperatur brennbaren keramischen dielektrischen Material 12 aufgefüllt, so daß eine dielektrische Schicht ge bildet wird, wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Das bei niedriger Temperatur brennbare keramische dielektrische Mate rial 12, das hier verwendet wird, kann eine Pb-Perowskit- Verbindung oder eine SrTiO₃-System-Verbindung sein, wie sie beim ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Beim Auffül len der Öffnung 21 mit dem bei niedriger Temperatur brennbaren keramischen dielektrischen Material 12 kann eine dielektrische Paste auf den Teil der durch die Öffnung 21 de finierten Elektrodenleiterpaste gedruckt werden, oder ein dielektrischer Preßkörperbogen kann derart geschnitten wer den, daß er dieselbe Größe wie die Öffnung 21 aufweist, damit er in diese eingepaßt werden kann.

Darauffolgend wird die Elektrodenleiterpaste 15 mittels Sieb druck auf der oberen Fläche der dielektrischen Schicht 12 und ihrem peripheren Teil aufgebracht, so daß eine obere Elektro de des Kondensators 19 gebildet wird, wie es in Fig. 2C ge zeigt ist. Die Isolierpreßkörperbögen 11 werden in Folge mit dem Abstandhalterungs-Isolierpreßkörperbogen 22 mit dem Kon densator 19 laminiert, wodurch das Substratlaminat herge stellt wird. Das Substratlaminat wird mit 490 bis 2.450 N/cm² gepreßt, wobei es beispielsweise auf 80 bis 150°C erwärmt wird, so daß das Laminat integriert wird, wie es in Fig. 2D gezeigt ist.

Darauffolgend werden jeweils nicht gebrannte Schutz- Preßkörperbögen 13 an beide Seiten des Substratlaminats laminiert. Das Substratlaminat mit den Schutz-Preßkörperbögen 13 wird dann auf dieselbe Weise erwärmt und gepreßt, wie es oben beschrieben ist. Das Substratlaminat mit den Schutz-Preßkörperbögen 13 wird dann bei einer Brenntemperatur für das Substrat im Bereich zwi schen 800 und 1.000°C gebrannt, wobei es mit einem Druck im Bereich zwischen 19,6 bis 196 N/cm² gedrückt wird, wodurch ein mehrschichtiges Keramiksubstrat zusammen mit dem darin ent haltenen Kondensator 19 gebrannt wird.

Die Schutz-Preßkörperbögen 13, die an den jeweiligen Seiten des Substrats anhaften, werden nach dem Brennen mittels Polierens oder ähnliches entfernt. Darauffol gend wird die Oberflächenschichtleiterpaste 20 mittels Sieb druck auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet, um in ein Verdrahtungsmuster ausgebildet zu werden. Das Substrat wird dann bei 1.000°C oder darunter gebrannt, wodurch die Herstel lung des mehrschichtigen Keramiksubstrats mit dem eingebauten Kondensator 19 beendet wird.

Die Erfinder stellten mehrschichtige Keramiksubstrate gemäß den BEISPIELEN 1 bis 4 her, wie es in TABELLE 5 gezeigt ist, und zwar gemäß dem oben beschriebenen Verfahren des zweiten Ausführungsbeispiels, um eine Häufigkeit eines Auftretens ei nes Kurzschlusses in jedem BEISPIEL zu bewerten.

TABELLE 5

Der Abstandhalterungs-Isolierpreßkörperbogen 22 wurde in al len BEISPIELEN 1 bis 4 in TABELLE 5 um die dielektrische Schicht laminiert. Durch die dielektrische Schicht wurde kein gestufter Teil auf der Schicht gebildet, auf der der Konden sator gebildet wurde. Eine Deformierung des äußeren periphe ren Endes des Kondensators wurde durch den Abstandhalterungs- Isolierpreßkörperbogen 22 verhindert, als das Substratlaminat unter Druck gebrannt wurde. Folglich blieb die Dicke der die lektrischen Schicht 12 am äußeren peripheren Ende des Konden sators 19 genauso wie an seinem zentralen Teil, und demgemäß wurde die Reduzierung bezüglich der Isolierfähigkeit am äuße ren peripheren Ende des Kondensators 19 verhindert. Somit war die Häufigkeit des Auftretens eines Kurzschlusses in allen BEISPIELEN 1 bis 4, die in TABELLE 5 gezeigt sind, 0%, wo durch eine hohe Isolierzuverlässigkeit sichergestellt wurde.

Weiterhin wurden die Eigenschaften des Kondensators 19 stabi lisiert, da die Schwankungen bezüglich seiner Kapazität und seines Isolierwiderstandes aufgrund der Deformierung des äu ßeren peripheren Endes des Kondensators 19 auch verhindert wurden. Folglich zeigte das Verfahren des zweiten Ausfüh rungsbeispiels eine hohe Qualität des mehrschichtigen Kera miksubstrats mit eingebautem Kondensator.

TABELLE 6 zeigt andere VERGLEICHSFÄLLE 1 bis 4, wobei in je dem von ihnen das Substratlaminat unter Druck gebrannt wurde, und zwar ohne daß der Abstandhalterungs- Isolierpreßkörperbogen 22 um die dielektrische Schicht lami niert wurde. Die anderen Bedingungen waren dieselben wie jene in den BEISPIELEN 1 bis 4 in TABELLE 5.

TABELLE 6

Bei jedem dieser Vergleichsfälle resultierte das Vorsehen ei nes Kondensators in einem gestuften Teil von 80 µm oder dar über auf einer Schicht, in der der Kondensator gebildet wur de, da kein Abstandhalterungs-Isolierpreßkörperbogen 22 um die dielektrische Schicht laminiert wurde. Demgemäß wurde das äußere periphere Ende des Kondensators durch den angelegten Druck derart gedrückt, daß es deformiert wurde, so daß die Isolierfähigkeit am äußeren peripheren Ende des Kondensators möglicherweise reduziert ist. Folglich wurde, da die Häufig keit des Auftretens eines Kurzschlusses maximal 33% und mi nimal 11% war, die Produktausbeute reduziert.

Modifizierte Formen

Andere verwendbare bei niedriger Temperatur brenn bare keramische Isoliermaterialien enthalten keramische Mate rialien, die bei 1.000°C oder darunter gebrannt werden kön nen, wie beispielsweise Glas des SiO₂-B₂O₃-Systems und des Al₂O₃-Systems, Glas des PbO-SiO₂-B₂O₃-Systems und des Al₂O₃- Systems und kristallisiertes Glas des Cordierit-Systems.

Bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen wurde die Pb- Perowskit-Verbindung oder die SrTiO₃-System-Verbindung als Material für das Dielektrikum des Kondensators 19 verwendet. Eine Verbindung des BaTiO₃-Systems oder eine Verbindung des CaTiO₃-Systems können statt dessen als Material für das Die lektrikum verwendet werden. Diese Verbindungen sind für die Herstellung eines Kondensators geeignet, da sie mit dem bei niedriger Temperatur brennbaren keramischen Iso liermaterial bei 1.000°C oder darunter brennbar sind und jeweilige hohe Dielektrizitätskonstanten aufweisen.

Statt RuO₂ kann Ru-Pyrochlor als Material für den Widerstand verwendet werden. Das Ru-Pyrochlor ist genausogut wie RuO₂ mit der bei niedriger Temperatur brennbaren Keramik gemeinsam brennbar.

Obwohl, bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen der Aluminiumoxid-Preßkörperbogen als Schutz-Preßkörperbogen verwendet wird, kann der Schutz-Preßkörperbogen statt dessen ein Preß körperbogen sein, der aus einem keramischen Material mit ho her Brenntemperatur hergestellt ist, wie beispielsweise SiC oder AlN.

Obwohl bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen ein einzi ger Kondensator im mehrschichtigen Keramiksubstrat vorgesehen ist, kann eine Vielzahl solcher Kondensatoren auf dieselbe Weise, wie es oben beschrieben ist, vorgesehen werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen Keramik substrats mit einem integrierten Kondensator, bei dem das Substrat und der Kondensator bei einer vorbestimmten Brenntemperatur im Bereich zwischen 800 und 1.000°C ge meinsam gebrannt werden, gekennzeichnet durch folgende aufeinanderfolgende Schritte:
Bilden eines Substratlaminats aus Preßkörper-Iso lierschichten (11) mit einem darin angeordneten Kondensator (19), wobei die Preßkörper-Isolierschichten (11) jeweils aus einem ungesinterten, bei niedriger Temperatur brennbaren keramischen Isoliermaterial bestehen, wobei der Kondensator (19) aus einer ungesinterten, dielektrischen Preßkörper schicht (12), die aus bei niedriger Temperatur brennbarem keramischen dielektrischen Material besteht, und aus die dielektrische Schicht (12) in Sandwich-Struktur umgebenden Elektrodenleitern (15) besteht;
jeweiliges Laminieren von Preßkörper-Schutzschichten (13), die bei der Brenntemperatur für das Substrat nicht ge sintert werden, an beide Seiten des Substratlaminats;
Brennen des Substratlaminats mit den Preßkörper-Schutzschichten (13) bei der Brenntemperatur für das Substrat, während daran normal zu einer freien Oberfläche eines der Preßkörper-Schutzschichten (13) Druck angelegt wird, wobei der Druck im Bereich zwischen 19,6 und 196 N/cm² liegt; und
Entfernen der Preßkörper-Schutzschichten (13) von beiden Seiten der gebrannten zusammengebauten Anordnung, um dadurch das mehrschichtige Keramiksubstrat mit dem integral eingebauten Kondensator (19) freizulegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Preßkörper-Isolierschicht (11) einen aus bei niedri ger Temperatur brennbarem keramischem Isoliermaterial gebildeten Preßkörper-Isolierschicht (11) umfaßt, und daß die dielektrische Schicht (12) durch Drucken eines bei niedriger Temperatur brennbaren keramischen dielek trischen Materials gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (12) durch Laminieren einer Abstandhalter-Isolierpreßkörperschicht (22) mit ei ner Öffnung (21) gebildet wird, die einen Ausbildungsbe reich der dielektrischen Schicht (12) zu einer inneren Preßkörper-Isolierschicht (11) definiert, und durch Auffüllen der Öffnung (21) mit dem bei niedriger Tempera tur brennbaren keramischen Material in einem Laminierpro zeß der Preßkörper-Isolierschichten (11).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elektrodenleiter (15) aus Au oder einer Au-Legie rung besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elektrodenleiter (15) aus Ag/Pd mit einem Ag/Pd- Gewichtsverhältnis im Bereich zwischen 90/10 bis 60/40 besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (12) aus einer Pb- Perowskit-Verbindung besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bei niedriger Temperatur brennbare keramische Isoliermaterial eine Mischung eines Glaspulvers aus CaO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃ oder aus MgO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃ und eines Al₂O₃-Pulvers umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratlaminat Innen- oder Oberflächenschichten hat, die mit Verdrahtungs- und Zwischenschicht-Durchgangslei tern ausgebildet sind, die jeweils Au, Ag, Ag/Pd, Ag/Pt oder Cu umfassen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratlaminat eine Innen- oder Oberflächenschicht hat, die mit einem Widerstand (14) ausgebildet ist, der RuO₂ oder ein Ru-Pyrochlor umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Preßkörper-Schutzschichten (13) aus Aluminiumoxid bestehen.