DE2126909A1 - Dielektrische Zusammensetzung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DK.ING. H. NEGENDANK · dipl.-ing. H. HATJCK · dipl.-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN ^₁ λ ~ ^ p. - _.

Z ί Z 0 3U9

ZUSTELLTTNQSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEUER WALL

TBL. 387428 TJND 364115

IElEGB. NEGEDAPATENT HAMBVHG

MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR.

TEL. S 38 05 80

OwenS-IllinoiS, Inc. ibugb. »egbbapatent München

Toledo, Ohio 4560/USA Hamburg, 28. Mai 1971

Dielektrische Zusammensetzung

Die Erfindung betrifft mehrlagige Dielektrika. Insbesondere betrifft sie dielektrische Zusammensetzungen, die zum Aufbau mehrlagiger Dielektrika, welche in den verschiedensten elektronischen Teilen gebraucht werden, verwendet v/erden können.

In der elektronischen Industrie besteht ein großer Bedarf an mehrlagigen .dielektrischen Teilen. Z. B. finden dickgefilmte mehrlagige dielektrische Zwischenschaltungsanordnungen, wie gedruckte Dickfilm-Mehrschicht-Hybridschaltungsplatten und dergleichen weit verbreitet bei komplizierten elektronischen Geräten, wie Farbfernsehern, Komputern und dergleichen Verwendung. Allgemein gesagt, bestehen mehrlagige dielektrische Teile aus einer Vielzahl sich abwechselnder Lagen eines leitfähigen und eines dielektrischen Materials, wobei wegen der dielektrischen

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Eigenschaften des dazwischenliegenden dielektrischen Materials die Lagen aus leitfähigem Material geeignet voneinander isoliert sind.

Die Forderungen, die allgemein an ein gutes dickgefilmtes mehrlagiges Dielektrikum gestellt werden sind?

1) Es muß mehrere Male gebrannt werden können, ohne dabei zu erweichen oder sich physikalisch oder elekizLsch zu verändern (d.h. inert sein, um bei der gleichen Temperatur wieder gebrannt werden zu können).

2) Es muß eine niedrige Dielektrizitätskonstante haben, um die kapazitive Koppelung zwishen den leitenden Schichten auf ein Mindestmaß zu halten.

3) Die Lötbarkeit der Leiter (d.h. die Bindefähigkeit der gelöteten Zuleitungen) muß erhalten bleiben; oder anders gesagt, das dielektrische Material, darf die lötbaren Oberflächen während des Trennens praktisch nicht benetzen.

4) Die gebrannte Struktur muß abgedichtet und feuchtigkeit sundurchlässig sein(d.h. praktisch unporös), und

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5) die gebrannte Struktur muß dicht sein, ohne daß eine merkliche Anzahl von Löchern oder Rissen vorhanden ist.

Der Ausdruck "brennen" wird hier in der allgemein bekannten Bedeutung gebraucht, d.h. "brennen" bedeutet das Erhitzen der neuen dielektrischen Zusammensetzung auf eine ausreichende Temperatur eine ausreichend lange Zeit, so daß aus ihr ein praktisch festes glasartiges dielektrisches MaterM. gebildet wird.

Um die vorstehenden Anforderungen zu erfüllen sind verschiedene entglasbare Glaszusammensetzungen zur BiI-dung von dielektrischen Materialien entwickelt worden. Grundsätzlich werden diese entglasbaren Glaszusammensetzungen so aufgebaut, daß ein Leiter damit verklebt werden kann bei Temperaturen, die das Entglasen (Kristallisieren) des entglasbaren Glases in einem solchen Ausmaß bewirken, daß die entglasbare Zusammensetzung dielektrische Eigenschaften annimmt.

Obwohl es bisher möglich gewesen ist, entglasbare Zusammensetzungen aufzubauen, die gute Löteigenschaften haben (d.h. die die lötbaren Oberflächen des Leiters während des.gMchzeitigen Entglasens des Dielektrikums

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und Einbrennens des Leiters nicht "benetzen ". ) sind mit diesen.entglasbaren Zusammensetzungen und ihrer Überführung in dielektrische Produkte viele Probleme verbunden, welche sich nachteilig auf ihren Einsatz auswirken. Z. B. ist der Enig-asungsvorgang selbst sehr schwierig, er macht· ein kontrolliertes Zeit-Temperatur-Verhältnis nötig, um die Zusammensetzung zuerst durch die Kernbildungstermperatur und dann durch die Kristallisationstemperatur so zu führen, daß eine kristalline keramische Phase in einem amorphem Glaskörper entsteht. Außerdem muß der En"tg.asungsvorgang sorgfältig innerhalb außerordentlich kritischer Grenzen gehalten werden, da bei ungenügender Entglasung (Kristallisation) die gewünschte Qualität der Lötfähigkeit verloren geht. Wenn andererseits die Entglasung zu weit geht (d.h. wenn der kristalline Anteil zu hoch wird), wird das Produkt leicht prös und ist dann nicht mehr feuchtigkeitsundurchlässig. Mit der Frage des kristallinen Anteils eng verbunden ist die der Reproduzierbarkeit und der Qualitätskontrolle, allgemein. Wegen der Empfindlichkeit der Entglasung ist dne"Reproduzierbarkeit schwer zu erreichen.

Eine weitere Schwierigkeit, die mit Bezug auf die entglasenden Zusammensetzungen auftreten, besteht darin, daß

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infolge der Natur des Intglasungsvorganges das Glas zuerst durch einen glasigen fließfähigen Zustand und dann in seinen kristallinen Zustand übergeht. Wenn die Glaszusammensetzungen entglast werden, um sie in das gewünschte dielektrische Produkt überzuführen, oder wenn sie wieder gebrannt werden, um andere Schichten zur Bildung mehrlagiger Teile zu binden, wird die Schärfe der Linien, zu welchen die entglasbare Zusammensetzung gedruckt worden ist, durch diese Fließeigenschaften während der Entglasung schädlich beeinflußt*

Aus der vorstehenden Darlegung der Probleme ist zu er-

entkennen, daß, obwohl/glasbare Zusammensetzungen in der einschlägigen Technik eingesetzt werden, viele wirtschaftliche und technische Schwierigkeiten mit ihnen verbunden sind.

Dielektrische Materialien, wie glasige Blei-Bor-Silikat-Gläser, die nicht entglast zu werden brauchen, um gute dielektrische Eigenschaften zu bekommen, sind seit langem bekannt. Diese Materialien bringen aber schwerwiegende Probleme, welche sie für die Verwendung in mehrlagigen Dielektrika ungeeignet machen. Allgemein gesagt, sind die Probleme zweifacher Art. Erstens neigen diese

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Materialien sehr dazu, den Leiter, mit dem sie verbunden werden, zu benetzen, wodurch die Möglichkeit verloren geht, Zuleitungen auf den Leitern heiß anzulöten. Zweitens besteht wegen der glasigen Natur der Dielektika die Tendenz, daß die damit heiß verlöteten Leiter, z. B. Elektroden, sich in relativ großen Abständen während des Einbrennens im Dielektrikum bewegen. Aus diesen Gründen sind die glasi@n dielektrischen Materialien allgemein als unbrauchbar anerkannt worden, und sie sind tatsächlich für mehrlagige dielektrische Vorrichtungen meist nicht zu verwenden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues dielektrisches Material zu schaffen, welches die guten Eigenschaften der bekannten entglasbaren und glasigen Materialien aufweist, aber nicht deren Nachteile«

Die Aufgabe wird durch eine dielektrische Zusammensetzung gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Gasbinder und keramisches Pulver, wobei der Glasbinder und das keramische Pulver in solchen Mengen vczLiegen, daß das resultierende Dielektrikum, das durch Brennen der Zusammensetzung gebildet wird, den lötbaren Leiter nicht benetzt, wenn er bei mindestens der Temperatur, bei der die dielektrische Zusammensetzung gebrannt wird, heiß gelötet wird. - 7 - -

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Allgemein gesagt wird die Aufgabe durch Verwendung einer einzigartigen dielektrischen Zusammensetzung gelöst, welche die Löteigenschaften der entglasbaren dielektrischen Materialien mit den wirtschaftlichen Vorteile!vereint,

überwachung der

die das Wegfallen der-sorgfältigen/Zeit-Temperatur-Verhältnis se beim Brennen zur Srhaltung einer gegebenen Menge Kristallini tat im Produkt mit sich bringt. Da keine Entglasung erforderlich ist, entfällt auch die Schwierigkeit, das Fließen zu vermeiden. Außerdem können die dielektrischen Zusammensetzungen nach der Erfindung mehrmals gebrannt werden, ohne wieder zu erweichen oder sich physikalisdioder elektrisch zu ändern. Außerdem besitzen sie niedrige Dielektrizitätskonstanten und in vielen Fällen sogar wesentlich niedrigere Dielektrizitätskonstanten als die bekannten Dielektrika, was kapazitive Koppelung zwischen den verschiedenen Leiterlagen oder Flächen äußerst klein hält. Ferner sind die Strukturen, die durch Brennen aus diesen Zusammensetzungen gebildet werden, in vielen Fällen völlig abgedichtete Strukturen, die feuohtigkeitsundurchlässig, also praktisch unporös sind,und die extrem dicht sind, so daß praktisch keine Loch- oder Rissebildung eintritt. Aber die hohe Dichte der Dielektrika, die mit den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen erbäLten werden, führt nicht nur dazu, daß keine Löcher und Risse vorhanden sind, sondern trägt auch zu einer extrem hohen Durchschlagfestigkeit bei. So/bringt die Erfindung nicht nur eine Verdoppe

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lung der besten Eigenschaften der bekannten Materialien, sondern tatsächlich eine ganz erhebliche Verbesserung.

Die dielektrischen Zusammensetzungen nach der Erfindung bestehen grundsätzlich aus einem Glasbinder und einem keramischen Pulver, wobei das Mengenverhäliiis von Glasbinder und keramischem Pulver derar^ist, daß ein dielektrisches Produkt nach dem Brennen der Zusammensetzung resultiert, welches die lötbaren Oberflächen eines Leiters, wenn dieser bei etwa mindestens der Brenntemperatur des Dielektrikums damit heiß verschweißt wird, nicht benetzt wird. Genauer gesagt wird die Menge Glasbinder und Keramikpulver so aufeinander abgestellt, daß das Keramikpulver den Glasbinder praktisch sättigt, so daß nicht genug Glasbinder zurückbleibt, um die Oberfläche eines angeschlossenen Leiters, an welchem Zuleitungen anzulöten sind, zu benetzen, so daß die Lötbarkeit des Leiters erhalten bleibt, während gleichzeitig. Dielektrikum und Leiter bei der gleichen Temperatur und daher vorzugsweise gleichzeitig gebrannt werden. Außerdem und vorzugsweise liegt das keramische Pulver in einer Menge vor, die nicht ausreicht, um Porosität zu verursachen, wenn die Struktur durch Brennen in das Endprodukt überführt wird, so daß die Bildung einer abgedichteten Struktur gesichert ist.

Mit Bezug auf die Vermeidung der Loch- und Risse-Bildung

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sowie hoher Durchschlagfestigkeit durch Erreichung hoher Dichte im fertigen Produkt wird die Teilchengröße des keramischen Pulvers auch mit den Mengen Glasbinder und keramischem Pulver in Beziehung gesetzt, um eben . solche Struktur zu schaffen.

In gewissen Ausnahmefällen kann die Menge-von Glasbinder und keramischem Pulver sowie die Teilchengröße des keramischen Pulvers innerhalb eines weiten Bereiches schwanken. Allgemein gesagt bestehen die dielektrischen Zusammensetzungen nach der Erfindung jedoch aus etwa 60 bis AO Gew. ~% Glasbinder und etwa 40 bis 60 Gew.-?? keramischem Pulver. -Außerdem ist die durchschnittliche Teilchengröße des keramischen Pulvers im allgemeinen mindestens etwa 0,2 um und die der Glaspartikel sollte etwa 1,0 bis 9,0 um betragen.

Der Glasbinder, der vorzugsweise eingesetzt wird, ist ein Blei-Borsilikat-Glas, insbesondere ein Blei-Barium-Borsilikat-Glas» Das bei der Erfindung bevorzugte keramische Pulver, ist Zirkonsilikat (ZrSiO^). Die Teilchen haben vorzugsweise eine Größe über etwa 1 yum, besonders bevorzugt sind Teilchen einer Größe zwischen etwa 1 bis 10yura.

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Die Dielektrizitätskonstanten, die bei der Durchführung der Erfindung erreicht werden, können im Bereich von unter 4 bis zu 15 oder darüber sein, abhängig von der Art des eingesetzten keramischen Materials, der Zusammensetzung des Glasbinders und dergleidien. Allgernein gesagt ist bekamt, daß für die Zwecke von mehrlagigen Dielektrika der Dielektrizitätskoeffizient von etwa 1-5 nicht überschritten werden sollte, und er sollte vorzugsweise so niedrig wie möglich sein.

Bei.einer besnders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine dielektrische Zusammensetzung geschaffen, die lötbar, reproduzierbar und ohne Veränderungen zu erleiden wieder brennbar ist, gleichzeitig mit üblichen Leitern, eine extrem niedrige Dielektrizitätskonstante von etwa 4 bis 7 hat, praktisch nicht porös und feuchtigkeitsundurchlässig ist, extreme Dichtigkeit aufweist und nach dem Brennen praktisch loch- und risse-frei ist, wobei sie außerdem billig herzustellen ist, v/eil eine Entglasung nicht notwendig ist.

Eine solche Zusammensetzung besteht im wesentlichen aus etwa 50 bis 55 Gew.-?6 Zirkonsilikat und etwa 45 bis 50 Gew.-?i> eines ■ Glasbinders, welcher wiederum im wesentlichen besteht aus 30 bis 40 GEw.-Ji SiO₂, 8 bis 12 Gew.-^ P₂°3'

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10 bis 15 Gew.-Si Al₂O₃;, 11 bis 16 Gew.-So PbO, 20 bis 25 Gew.-$ BaO und 0 bis 3,0 Gew.-So TiO₂. Die Partikelgröße des Zirkonsilikats ist vorzugsweise etwa 4,0 Mikron.,

Die vorstehenden Zusammensetzungen v/erden in ihren dielektrischen mehrlagigen Teilen gleichzeitig mit dem ffi-ßlöten der Leiter durch einfaches Brennen festgelegt, ohne daß Entglasung nötig ist. Sie sind daher im Vergleich zu den bekannten entglasbaren Zusammensetzungen außerordHntlich wirtschaftlich, und reproduzierbar.

Die Erfindung wird aus der nachstehenden Beschreibung, bei der auf die beigefügten Figuren Bezug genommen wird, noch klarer v/erden.

Fig. 1 ist ein Seitenauerschnittsbild einer dreischichtigen mehrlagigen gedruckten Schaltungsplatte, bei welcher Benäbzen des obersten Leiters stattgefunden bäs.

Fig. 2 ist ein Seitenquerschnittsbild einer nicht benetzten, lötbaren, dreischichtigen mehrlagigen /druckten Schaltungsplatte gemäß der Erfindung.

Fig. 3 ist ein Seitenquerschnittsbild einer gedruckten

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Dickfilm-Mehrschicht-Hybrid-Schaltungsplatte mit einer Vielzahl, von angelöteten Zuleitungen nach use Erfindung.

Eine der Haupteigenschaften, die ein Leiter in einer mehrlagigen gedruckten Schaltungsplätte haben muß, ist gute Lötbarkelt. Der Ausdruck "Lötbarkeit" ist auf dem einschlägigen Gebiet gut bekannt und wird hier in dieser Bedeutung benutzt. D.h. Lötbarkeit wird gebraucht, um die Eigenschaft eines Leiters anzugeben, welcher, nachdem ihm ein Harz (resin flux) aufgebracht worden ist und nachdem er etwa TO Sekunden in ein geschmolzenes Lot, das für den Z\?eck geeignet ist, getaucht wurde, fähig ist, in festgebundener Form zu bleiben.

Fig. 1 zeigt, wie die Eigenschaft der Lötbarkeit durch eine dielektrische Zusammensetzung vernichtet wird,welche die lötbaren Oberflächen eines Leiters während des Brennens oder Wiederbrennens der Schichtstruktur benetzt. Bei der in Fig. 1 gezeigten AusfUhrungsform ist eine Grundschicht 1 vorgesehen, welche ein Basis-Leitermaterial sein kann, das vor der Bildung weiterer Schichten darauf gebrannt worden ist.

Um ein Dielektrikum zwischen dem Leiter 1 und einem wei-

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.teren Leiter 3 zu schaffen, ist eine dielektrische Zusammensetzung 5 vorgesehen. Die gezeigte dielektrische Zusammensetzung 5 ist aus einem Glasbinder 7 aufgebaut, in welchem Teilchen aus einem Keramikpulver 9_} wie Zirkonsilikat, verteilt sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die keramischen Teilchen 9 in einer zur Sättigung des Glasbinders 7 nicht ausreichenden Menge vorhanden. Stattdessen sind die Partikel in einer Menge vorgesehen, welche nur ausreicht, eine Sättigung des Glasbinders in einem Gebiet, wo er die Teilchen 9 unmittelbar umgibt, zu erreichen (wie bei 11 gezeigt). Da ein Glasbinderüberschuß vorhanden ist, führt das Brennen (d.h. das Erhitzen) der Struktur, zwecks verkleben der Leiter 3 und 1 mit der dielektrischen Zusammensetzung 5 und gleichzeitigem Bilden eines dielektrischen Materials der Zusammensetzung 5, dazu, daß etwas über-.schüssiger Glasbinder 7 durch den Leiter 3 diffundiert und einen Überzug von Binder 7 auf der obersten lötbaren Oberfläche des Leiters 3 bildet, wodurch dessen Lötbarkeitseigenschaft verloren geht« Wie wäter oben gesagt, ist Aufgabe der Erfindung, dieses zu verhüten.

Die Fig. 2 zeigt eine dreischichtige Struktur nach deer Erfindung. Die Schicht 13 ist gleich der Schicht 1 in

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Fig. 1. Der Glasbinder 15 der dielektrischen Schicht ist mit einer ausreichenden Kenge von Kerarnikpulverteilchen 19 versehen, so daß nach Brennen des dielektrischen Materials zur Überführung der Zusammensetzung in eine dielektrische Schicht eine gewisse Menge der keramischen Teilchen 19 im Glasbinder 15 gelöst wird, so daß der Glasbinder 15 vollständig gesättigt wird. Bei völliger Sättigung des Glasbinders 15 ist kein Überschuß an glasigem Glas vorhanden, das die lötbaren Oberflächen des Leiters 17 während des Brennens benetzen könnte. Obwohl intakte keramische Teilchen im Glasbinder zurückbleiben, ist eine nicht ausreichende Menge Teilchen 19 eingesetzt worden, so daß nach Abkühlen der gebrannten Struktur eine nicht poröse, dichte Struktur erhalten wird. Das soll heißen, wie auch die Fig. 2 zeigt, daß nach Abkühlen der Binder noch eine glasige glatte feuchtigkeitsundurchlässige Wand um die Struktur bildet.

Wie weiter oben angegeben, und wie ein Vergleich der Figuren 1 und 2 zeigt, wird die Heupteigenschaft Lötbarkeit durch die Korrelation der Menge Glasbinder zur !!enge Kerarnikpulver derart, daß das Keramikpulver den

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fs

Glasbinder in einem Maße sättigt, daß eine unzureichende Menge Glasbinder zum Benetzen der lötbaren Oberflächen des Leiters zurückbleibt, erzielt. . .

Obwohl die Glasbinder, die bei der Erfindung eingesetzt werden können, irgendeiner der bekannten Art sein können, einschließlich Borsilikatglas allgemein und vorzugsweise Blei-Borsilikat-Gläser, ist die bevorzugte Glaszusammensetzung ein Blei-Barium-Borsilikatglas folgender Zusammensetzung: etwa 35 bis 40 % SiO₂, 8 bis 12 % B₂O,, 10 bis 15 ^c/o Al₂O₃, 11 bis 16 96 PbO, 20 bis 25 % BaO und 0 bis 3,0 % TiO₀, wobei % Gew.-Jo bedeuten. Ein Beispiel für eine besonders bevorzugte GlaszusamEnsetzung, die in den Bereich der eben aufgeführten Blei-Barium-Borsilikatgläser fällt, ist die folgende: 31% ^Si02» ^1O'^{ä B}2°3* 13>o Al₂O₅, 15 % PbO, 23% BaO und 2% TiO₂.

Irgendein bekanntes keramisches Material, welches gute dielektrische Eigenschaften besitzt, kann als keramisches Pulver gemäß der Erfindung eingesetzt v/erden. Beispiele für solche keramischan Pulver sind ZrOp, Al_?0^, TiO₂, die Zirkonsilikate wie BaZrSiO^, MgZrSiO^, ZnZrSiO,, entglaste Glaspartikel und dergleichen. Bevorzugt wird •Zirkonsilikat als keramisches Pulver, weil es extrem

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gute Lötbarkeit, Dichtigkeit, dichte und niedrigen Dielektrizitätskoeffizienten bangt.

Die Bereiche, innerhalb denen die Bestandteile, wie Glasbinder und Keramikpulver, vorliegen können, variieren, abhängig von dem besonderen Glasbinder und dem keramischen Material, das eingesetzt- wird. Der Hauptfaktor beim 33rmitteln der genauen üenge, in der jeder Bestandteil einzusetzen ist, ist die Lötbarkeit, die erreicht werden muß, selbst wenn die Leitereinbrenntemperaturen mindestens gleich der Einbronntemperatur der eingesetzten dielektrischen Zusammensetzung ist. Erfindungsgemäß sichert ein Mengenverhältnis von etwa 60 bis 40 Gew.-?o Glasbinder zu etwa 40 bis 60 Gew.-% keramisches Pulver, daß Lötbarkeit, wie beschrieben, in ausreichendem I-Iaße vorhanden ist, so daß sie im fertiggebildeten Dielektrikum funktioniert, selbst wenn Brennen des Dielektrikums und des Leiters gleichzeitig bewirkt wird. Ein bevorzugtes Mengenverhältnis ist 50 bis 55 Gew.-?'o Zirkonsilikat und 45 bis 50 Gew.-# Glasbinder, insbesondere wenn die bevorzugten Blei-Barium-Bor.silikatgläser eingesetzt werden.

Obwohl die Erzielung der Lötbarkeit, selbst wenn das Leitereinbrennen bei Temperaturen von mindestens etwa der Einbrenntemperatur des Dielektrikums vor sich geht,

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das Hauptmerkmal der Erfindung ist, gibt es noch viele andere Eigenschaften, die die bevorzugten Produkte nach der Erfindung aufweisen. Diese Eigenschaften, auf die weiter vorne "bereits hingewiesen ist, umfassen: relativ hohe Dichte des fertigen Produktes in einem Ausmaß, daß gute Durchschlagfestigkeit und "weitgehende Freiheit von Löchern und Rissen gewährleistet ist. Atesordem müssen die gebildeten Produkte vorzugsweise mehrmals gebrannt werden können, ohne wieder zu erweichen oder sich physikalisch oder elektrisch zu verändern. Außerdem müssen sie vorzugsweise nicht poröse dichte Strukturen bilden und niedrige Dielektrizitätskonstanten haben.

Allgemein gesagt werden alle oben aufgezeigten, in einem dielektrischen Material erwünschten Eigenschaften nicht nur durch die Korrelation zwischen der Menge des Keramikpulvers und dem Glasbinder, sondern auch durch die Korrelation der durchschnittlichen Teilchengröße des eingesetzten K-eraikpulvers dazu erreicht. Im Hinblick darauf ist gefunden wordaa, daß» wenn die^; Teilchengröße des Keramikpulvers zu klein ist, das resultierende Dielektrikum nach dem Abkühlen eine große Anzahl von Löchern und Rissen aufweist. Einem solchen Dielektrikum

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mangelt es auch an Dichte und folglich an der gewünschten Durchschlagfestigkeit. Obwohl die Teilchengröße innerhalb eines gegebenen S3<-stems variieren kann, ist-allgemein" gebunden, worden, daß für die meisten Systeme die Partikelgröße des 'leramischen Pulvers nicht unter etwa, i bis 4 tiikron liegen sollte, um sowohl beste Durchschlagfestigkeit zu erreichen als auch die Bildung von Löchern und fe Rissen zu vermeiden.

Die obere Grenze der Teilchengröße des keramischen Pulvers beruht auf praktischen Erwägungen, wie der Fähigkeit zum Siebdruck und dergleichen, denn solche pralltischen ?Hrwägungen rücken an dem Punkt in den Vordergrund, wo das dielektrische Material nicht mehr, verarbeitbar ist. Ein bevorzugter durchschnittlicher Teilchengrößenbereich, besonders wenn Zirkonsilikat als keramisches Pulver eingesetzt wird, ist etwa 3 bis 4 um. Sine besonders bevorzugte durchschnittliche Teilchengröße, die offensichtlich optimale Eigenschaften bringt, wenn direkt mit der I-Ienge Glasbinder und der I-Ienge keramischen Pulvers, die eingesetzt werden, in Beziehung gebracht, ist etwa 4 um.

Die dielektrischen Zusammensetzungen dieser Erfindung werden allgemein in Pastenform nach der üblichen Siebdruckmethode aufgebracht, besonders wenn sie als dielektri-

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. 1· 0 9 8 5 1 / 1 6 3 3 _eAD original

nahes Zwischenschichtiiiaterial in einer gedruckten Dickfiln-i-Iehrschicht-rtybrid-Gchaltungsplatte verwendet werden. Solche Pasten -werden im allgemeinen hergestellt, indem ztierst das keramische Pulver und ein Glacbind-er zu einer relativ homogenen !Mischung ":iit-inander vermischt werden. Danach wird ein organischer pastenförmiger Td^er,, der vorzugsweise aus 2 1/2 Gew.-?o iithylZellulose in einen Verdünnungsmittel aus 2 Gewichtsteilen Butylkarbinolazetat und einem Gevrichtsteil Isoamylsalizylat besteht, hergestellt und durch langsames Eingießen mit dem trockenen Gemisch unter Rühren vermischt. - -

In Fig. 3 ist ein typisches Dickfila-IIybrid-l-Iehrschicht-Dielektrikum nach der Hrfindung dargestellt. Solch ein Dielektrikum wird hergestellt, indem zuerst ein Leiter, z.B. eins übliche Pd-Au- oder Pd-Ag-Dickfilm-Leiterpaste 21 mittels Siebdruck auf ein übliches keramisches Substrat 23 aufgebracht wird. Die Dickfilm-Leiter^aste wird dann bei einer Temperatur von etwa 800 bis 1000⁰C 5 bis 15 Minuten bei dieser Temperatur, mit einer Aufheiz- und Abkühl-Zeit von 8 bis 10 Hinuten gebrannt, Die Aufheiz- und· Abkühl-Zeit ist nicht

kritisch. :

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Nachdem der Leiter 21, wie beschrieben, gebrannt worden und wieder abgekühlt worden ist, wird die dielektrische Paste nach der Srfindung durch Siebdruck, gewöhnlich in zwei Überzügen und vorzugsweise unter Verwendung eines Siebes einer Maschenweite von 92 bis 74 για (mesh screen 165 bis 200) auf der Leiterschicht 21 aufgebracht, wo- ~ durch die dielektrische Schicht 25 entsteht. Die dielektrische Paste wird dann 2 bis 5 tu nuten luftgetrocknet und danach im Ofen bei einer Temperatur von 15 bis 20 Minuten getrocknet. Das Lufttrocknen- kann auch weggelassen werden, wird aber gewöhnlich durchgeführt, um das Nivellieren der gedrucktem Struktur zu verbessern.

Als nächstes wird ein weiterer dicker Film der Leiterpaste mittels Siebdruck in einem vorbestimmten Huster auf der dielektrischen Schicht 25 aufgetragen, um eine " weitere elektrisch leitende Schicht 27 zu bilden. Die leitende Schicht 27 und die dielektrische Schicht 25 werden dann gleichzeitig gebrannt, bei der Brenntemperatur von beiclem, dem Dielektrikum und des Leiters. Im Fall von Pd-Au-Mterpasten wird bei etwa 875°C 5 Minuten eingebrannt, mit einer-8 Minuten langen Aufheiz- und Abkühlperiode. Solch ein Brennen bewirkt nicht nur die BiI-

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dung dec Dielektrikums sowie des Leiters, sondern dient aucli dazu, den Leiter mit dem Dielektrikum durch Heißverschweißen zu verkleben, wobei ein merkliches Benetzen der lötfähigen Oberflächen des Leiters nicht stattfindet .

Einer der v/esentlichen Vorteile dieser Erfindung ist die Einfachheit, mit welcher die dielektrische Schicht 25 gebildet wird und mit den Leitern 23 und 27 verklebt wird, während die Lötbarksit der Schichten 23 und 27 erhalten bleibt. Dies beruht auf der Tatsache, daß die dielektrischen Haterialien nach der Erfindung mit keramischen Pulver gesättigt sind und über einen weiten Temperaturbereich, gewöhnlich von etwa 800 bis 1OQO⁰G gebrannt und wieder gebrannt werden können, ohne daß ein solches Brennen die chemischen oder physikalischen Eigenschaften des nach Abkühlen vorliegenden Produktes verändert. Solche Sättigung und Flexibilität in den Brenntemperaturen gestattet es, den Leiter und das Dielektrikum gleichzeitig zu brennen oder getrennt voneinander zu brennen bei Temperaturen, die mindestens so hoch sind wie die Brenntemperatur des Dielektrikums, wodurch die Notwendigkeit eines Heißverschweißens und Brennens des obersten Leiters in einem besonderen Arbeitsgang bei einer Temperatur unter der Brenntemperatur des Dielektrikums zwecks Erhaltung seiner Lötbarkeit ver-

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mieden, wi'rd. Der Einsatz der Dielektrika nach der .'Erfindung vereinfacht daher nicht nur den Brennvorgang im Vergleich zu den· bekannten Dielektrika, wie d.er entglasbaren Materialien, sondern sie können auch mit Leitern mit höheren Brenntemperaturen eingesetzt werden, wobei deren erwünschte Eigenschaft der Lötbarkeit erhalten bleibt.

Weitere Schichten 29 Lind 31 können, wenn gewünscht, unter Anwendung der gleichen, in "verbindung mit der Bildung der Schichten 25 und 27 beschriebenen Ilaßnahmen aufgebracht werden. Selbstverständlich können die verschiedenen Leiterschichten separat von den dielektrischen Schichten gebrannt \«/erden., denn die Dielektrika nach der Erfindung sind wieder-brennbar, wie weiter oben beschrieben. Aus wirtschaftlichen Gründen wird natürlich bevorzugt, daß beide Schichten gleichzeitig gebrannt werden.

In Fig. 3 werden die Lötbarkeitseigenschaften durch die gelöeteten Zuleitungen 33, die nach den bekannten Techniken auf der Leiterschicht der Hybridplatte aufgelötet .sind, veranschaulicht. Is ist gefunden worden, daß, wenn die Dielektrika nach der Erfindung angewendet werden, geringe oder keine Benetzung der Leiterschichtoberflachen,

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nit c¹ or clac Lot verbunden wird, stattfindet, so daß eine cn.'? er ordentlich zähe Bindung zwischen den Zuleitungen Cer Jeweiliger- leitenden Schicht entsteht.

'.Jeicniolc I bis 16

Die nachstehenden Dielektrika wurden nach den Lehren der Drfinduiig aufgebaut, doch ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt. In jeden Beispiel wurde zuerst die Paste euren--Trockenmisehen der angegebenen Hengen Zirkoncilikat nit einen Glasbinder (10OfO■·hergestellt. D.h., iu Beispiel 1, wurden 25 Gew.-5o Zirkonsilikat mit 75 Gcv:.-,j O-lcxbinder vermischt. Der verwendete Glasbinder bcrtanc r.us einen gemahlenen Blei-Bariun-Borsilikatglas folgender Zusammensetzung, in Gew.->o: 37 SiOp^ 10 BpO^, 13 /LUO-., 15 PbO, 23 BaO und 2 TiO₀. Das Glas war vor dem Trockenmischen so geiiiahlen vrorden, daß die durchschnittliche Teilch engröBc etwa 1 VLm war.

'.:±n organischer Träger wurde hergestellt unter Verwendung von 2 1/2 Grw.s'j Hthy!Zellulose und 97,5 Gew.-;j eines Veroinnva-igsriittcls, welches aus zwei Gewichtsteilen Butylkarbi.nolazetr.t und einen Gev^ichtsteil Isoamylsalizylat bestand. Zu 27 g dieses organischen Trä«*gers \-nirden larg· sara und unia" Rühren 76 g der angegebenen trockenen Mischung

£ur_:;egeben, bis eine Paste gebildet war.

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Die dielektrische Paste wurde dann mittesi Siebdruck, unter Verwendung eines Siebes einer Haschenweite von 0,092 mm (165 mesh) auf ein keramisches Substrat aufgebracht und dann kurz an der Luft getrocknet. Anschließend wurde- im Ofen bei einer Temperatur von 125 °C 15 Hinuten getrocknet. 3s wurden 1 oder 2 Überzüge aufgebracht, um eine Lage einer Dicke von etwa 2 mil zu haben. Danach wutle eine übliche Pd-Au-Dickiilm-Leiterpaste mittels Siebdruck unter Benutzung eines Siebes einer Haschenweite von 0,074 mm (200 mesh) auf die getrocknete dielektrische Schicht aufgetragen und beide Pasten gleichzeitig bei etwa 875 C 5 Hinuten lang mit Aufheiz- und Abkühlzeiten von 8 Hinuten gebrannt worden. Die Lötbarkeit, die Porosität bzw.. die abgedichtete Struktur und Dihte, angezeigt durch Löcher unc¹ Risse, wurden durch Augenschein festgestellt. Die Pd-Au-Paste war hergestellt worden durch Vermischen von Pd-Au-Leiterpulverpartikeln einer durchschnittlichen Teilchengröße- von 2 bis 3 Hikron, mit einem flüssigen organischen Träger, der zu 20 Gew.-;o aus Äthyl Zellulose, 80 Gew.-fü ButylkarMtolazetat und 1 Gewichtsteil Isoamylsalizylat bestand. Das Leiterpulver hatte folgende Zusammensetzung, in Gew.-% angegeben: 70,4 Au, 17j6 Pd, 8,0 Bi₂O₃, 4,0 SiO₀, 16,0 B₂O₃, 0,4 Al₂O-,, 60,0 PbO und

-. ■■" - 25 -

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5, S CdO. Die Paste enthielt 75 Gew.-fo Pd-Au-Pulver und 25 Gew.-% des organischen flüssigen Trägers. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle A

Beispiel ZrSiOZj., durchsclin. $j ZrSiO^ Beschreibung des Teilchengröße D i el el: ti- ikum s

Struktur

1 1,0 um 25 abgedichtete/, nicht

' lötbar, - \

2 " " 35 abgedichtete Struktur,

nicht lötbar,

t> η it 42,5 lötbare, abgedichtete

Struktur, Löcher und Risse,

4 " " 45 lötbar, porös, Löcher

und Risse,

5 π π 50 lötbar, poröser,

weniger Löcher und Risse,

6 2,0 um 50 lötbar, porös, weniger

' Löcher und Risse,

7 2,75 vim 25 nicht lötbar, ab ge dich- '

ι tete Struktur, keine

Löcher und Risse

8 ¹V " 45 lötbar, abgedichtete

Struktur, wenig Löcher und Risse,

-» 9 " " 50 lötbar, porös, wenig

° Löcher und Risse,

^ 10 " " 55 lötbar, porös, wenig

_a .- . · Löcher und Risse,

.-* 11 " " 60 lötbar, porös, wenig

επ Löcher und Risse,

^ω 12, 4,0 um V/. nicht lötbar, abge-

' . dichtet, keine Löcher

oder Risse,

'■■■■■ ':■·■-■ 26 -

BAD

.21 2 6SO 9

Tabelle A (Forts.)

Beispiel ZrSi.04, durchschn. % ZtSIOLl Beschreibung; dos " Teilchengröße Dielektrikuns

4,0 vim

Il Il

U Il

It Il

lötbar, eb^edichtet, keine Löcher oder Risse,

lötbar , abgedichtet, keine Löcher oc.~r Ri s s e,

lötbar, abgedichtet, keine Löcher oder Riese,

.lötbar, porös, kein:: Löcher oder Risse

*gibt annähernd die Pro ζ ent zahl an, bei v/elcher Zirkonsilikat den Glasbinder sättigt. Wie gezeigt, nuß der genaue Sättigungspunkt nicht erreicht werden, sondern nur weitgehende Sättigung (d.h. dem 3Uttigungs-ounkt muß nahegekommen werden), damit die Lötbarkeit vorhanden ist.

Die vorstehende Tabelle veranschaulicht die Korrelation nicht nur zwischen der Menge keramischen Pulvers und Glasbinders, die eingesetzt werden, sondern auch der Partikelgröße des keramischen Pulvers. Auf die besonders bevorzugten Zusammensetzungen 15, 14 und 15 sei besonders hingewiesen, in welchen die Zirkonsilikatteilchen eine Größe von etwa 4 Mikron haben. Diese Zu-

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- 27 BAD ORIQiNAL

sammensetzungen "besitzen nicht nur ausgezeichnete Lötbarkeit, Diahte, nichtporöse Strukturen und sind weitgehend frei von Löchern und Rissen, sondern sie besitzen auch eine Dielektrizitätskonstante von etwa 4 bis 7, gewöhnlich von etwa 6, also' eine wesentlich niedrigere Dielektrizitätskonstante, die bei den besten entglasbaren Glaszusammensetzungen bei 11 oder darüber liegt. Außerdem besitzen dieselben Zusammensetzungen infolge ihrer e::trem hohen Dichte ausgezeichnete Durchschlagfestigkeit, über 1000 Volt/mil.

- 28 -

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Claims (1)

1. Patentansprüche ;

   Dielektrische Zusammensetzung, gekennzeichnet durch einen Glasbinder und ein keramisches Pulver, wobei der Glasbinder und das keramische Pulver in solchen Mengen vorliegen, daß das resultierende Dielektrikum, das durch Brennen der Zusammensetzung gebildet wird, den lötbaren Leiter nicht benetzt, wenn er bei mindestens der Temperatur, bei der dielektrische Zusammensetzung gebrannt wird, heiß gelötet wird.

   2) Dielektrische Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Pulver eine Partikelgröße hat, die ausreicht, ein Dielektrium zu bilden, das weitgehend frei von Löchern und P.issen ist.

   3) Dielektrische Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zu 60 bis 40 Gew.-?o aus Glasbinder und zu 40 bis 60 Gew.-^> aus keramischem Pulver besteht, wobei die Partikelgröße des keramischen Pulvers mindestens 0,2 um beträgt.

   4) Dielektrische Zusammensetzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasbinder ein Blei-Boreilikatglas und das keramische Pulver ZrSiO/ ist.

   Λ - 29 10 9 851/1 63 3 _BAD

   mHt£^:■£

   5) Dielektrische Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasbinder in einer Menge von 45 bis 50 Gew.-^ und ZrSiO₀ in einer Menge von 50 bis 55 Gew.-% vorliegt.

   6) Dielektrische Zusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Blei-Borsilikatglas im wesentlichen aus die nachstehend aufgeführten Bestandteilen, in Gewi-% besteht:

   35 bis 40 SiO₂, 8 bis 12 B₂O₇, 10 bis 15 Al₂O₃,

   11 bis 16 PbO, 20 bis 25 BaO un| 0 bis 3 TiO₂.

   7) Dielektrische Zusammensetzung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Blei-Borsilikatglas aus den nachstehenden Bestandteilen,- in Gew- % be-

   ■ 1?

   stellt: >

   37 SiOo, 10 BpO,., 13 AIpO-,, 15 PbO, 23 BaO, und 2 TiO,,.

   C C- Ij £~ Ij C-

   8) Dielektrische Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ZrSiQ^-Partikel eine Größe von 1,0 bis 10 um haben.

   9) Dielektrische Zusammensetzung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ZrSiO/-Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße von 4,0 um, haben.

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   - 30 -

   ^126909

   10) Dielektrische Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer dielektrischen Zusammensetzung ^eni'iß Anspruch 6 gebildet ist und eine DJelektrizitäts- * konstante von 4 Ms 7 hat. _% "~''^:"" ■■- .|: * *». _y

   11) Dielektrische' Schicht, „dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer dielektrischen Zusammensetzung gem^ß

   ^ Anspruch 9 -gebildet ist und eine Dielektrizitäts.-konstane von 6 hat,

   12) Gedruckte Mehrschicht-Hybrid-SDhaltungsplatte, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von sich abwechselnden leitfähigen Schichten und dielektrischen MaterMs, wobei das dielektrische Material aus einer dielektrischen Zusammensetzung gemäß Anspicch 6 gebildet ist.

   13) Gedruckte Hehrschicht-Hybrid-Schaltungsplatte, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von sich abwechselnden leitfähigen Schichten und dielektrischen Materials, wobei das dielektrische Material aus einer dielektrischen Zusammensetzung gemäß Anspruch 9 gebildet ist.

   14) Dielektrische Druckpaste, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem organischen Träger, der mit der dielektrischen Zusammensetzung gemäß Anspruch 6 vermischt ist,

   - 31 i 10 9 8 51/16 3 3 _{gAD 0R!}q_INAL

   besteht. ■:'^!-

   15) Dielektrische Druckpaste, dadurch gekennzeichnet, daß sio aus einem mit einer dielektrischen-Zusammensetzung gemäß Anspruch 9 vermischten organischen Träger ¹O ο steht.

   16) Dielektrische Druckpaste nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß der organische Träger im Avesentliclien aus ilthylzellulose, Butylkarbitolazetat und I s ο a myl s al i Zy 1 a t besteht.

   17) Bielektrische Druckplaste nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste aus 24 Gewichtsteilen des Trägers und 76 Gewichtsteilen der dielektrischen Zusammensetzung besteht.

   16) Verfahren zur Bildung eines mehrlagigen dielektrischen Teiles mit sich abwechselnden Schichten eines dielektrischen Materials und eines Leiters, wobei nach Bildung des Teiles den Leiterschichten noch Zuführungen angelötet werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten aus einer dielektrischen Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 ge-

   - 32 -

   ■'■*■ 1 0Smi11 6*3 §AD OHiQiNAL

   19) Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiterschicht gebildet wird und unmittelbar darauf eine Schicht aus dem dielektrischen Material, und beide Schichten gleichzeitig bei der gleichen
   Temperatur gebrannt werden.

   20) Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine dielektrische Zusammensetzung verwendet wird, die zu 50 bis 55 Gew.-?o aus Zirkonsilikat und zu

   45 bis 50 Gew.-?j aus einem Glasbinder besteht, welche, in Gew.-;a folgende Zusammensetzung hat:
   35 bis 40 SiO₀, 8 bis 12 B₀O-,, 10 bis 15 Al₀O,, 11 bis 16 PbO, 20 bis 25 BaO und 0 bis 3 TiO₀.

   21) Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbrennen der Schichten bei einer Temperatur von 800 bis 1000⁰C vorgenommen wird.

   22) Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter benutzt,wird, der im wesentlichen aus Pd-Au- oder Pd-Ag-Legierung besteht.

   23) Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß Zirkonsilikat einer Teilchengröße von etwa 4 um eingesetzt wird, und ein Glasbinder, der, in Gew.-?i,

   10 9 8 51/16 3 3 @m> ORlCHNAL

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   bestellt aus: 37 SiO₂, 10 B_pO_, 13 Al₂O₇., 15 PbO, 23 3a0 und 2 TiO₂.

   24) "Verfahren nach Anspruch 13,. dadurch gekennzeichnet, daß als Leiter ein Au-* Ag-? Pd-Au- und/oder Pd-Ag-Leiter eingesetzt wird.

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