DE2606963A1

DE2606963A1 - Verfahren zur herstellung einer dickschichtschaltung auf ein vorzugsweise aus einer oxidkeramik bestehendes traegerplaettchen

Info

Publication number: DE2606963A1
Application number: DE19762606963
Authority: DE
Inventors: Naresh Dipl Phys Chakrabarty; Artur Weitze
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1976-02-20
Filing date: 1976-02-20
Publication date: 1977-08-25
Also published as: US4084314A; FR2341947A1; DE2606963C3; JPS52110498A; FR2341947B1; DE2606963B2; GB1508560A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München VPA 76 P 7017 BRD

Verfahren zur Herstellung einer Dickschichtschaltung auf ein vorzugsweise aus einer Oxidkeramik bestehendes Trägerplättchen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer • ' Dickschichtschaltung auf ein vorzugsweise aus einer Oxidkeramik gebildetes Trägerplättchen, indem man unter Verwendung einer pastenartigen Suspension, bestehend aus einer Silber enthaltenden PuI-

J Vermischung in einem flüssigen Bindemittel, diese im Siebdruckverfahren auf das Trägerplättchen aufbringt, und die so aufgebrachte Schaltung in einem weiteren Verfahrensschritt durch Sintern bzw. Einbrennen mit der Oxidkeramik verfestigt, sowie in einem abschliessenden Verfahrensschritt unter Anwendung eines eutektischen Kupfer-Silberlotes die mit den Leiterbahnen zu verbindenden Anschlusselemente hartlötet.

Gemäss der DT-PS 1 963 286 ist es bekannt, auf Keramiksubstraten ' durch Siebdrucken leitende Strukturen zu .erzeugen. Diese Struktüren sollen einerseits hinsichtlich der vorgegebenen geometrischen Struktur genau aber auch nach erfolgtem Sintern hartlötbar sein. Hierzu verwendet man eine siebdruckfähige Metallpulvermasse mit thixoxroper Eigenschaft. Zur Herstellung der Siebdruckpaste dienen Schwermetall wie z.B. Molybdän- und Mangansilikatpulver mit einer Korngrösse kleiner als 5/um. Derartig erzeugte Strukturen besitzen indessen eine vergleichsweise hohe Sintertemperatur . wobei der Sinterprozess in einer gesteuerten At-. Biosphäre erfolgt. Um das Fliessverhalten des Hartlotes zu verbessern, müssen ausserdem die Leiterbahnen vor dem Hartlöten galvanisch, z.B. mit einer Nickel-Auflage versehen werden. Darüberhinaus ist es erforderlich, die aufgebrachte Nickelschicht einer Difusionsglühung zu unterziehen, um die Haftung der Nickelschicht zu verbessern.

' Gemäss der DT-OS 2 021 362 sind auch Metallisierungsmassen be-

VPA 75 E 7134 b

GiI 17 Kp/5.2.1976 7 09834/0538

.CQPY

ί - ':\ -F-J

kanntj welche neben Alkalisalzen bis zu 95 Gew$ Silber enthalten; sie dienen z.B. zum Erzeugen von auf Glasscheiben aufzubringenden Leiterbahnen. Diese Massen werden ebenfalls durch Siebdrucken auf Glasunterlagen aufgebracht und sodann in einem nachfolgenden Ar-' beitsgang gebrannt. Eine solche Masse besitzt jedoch eine vergleichsweise geringe Bindungsfähigkeit; sie ist auch zum Hartlöten nicht geeignet.

Ferner sind sogenannte aktive Silberlote bekannt, z_fB. bestehend aus 96 Ge\f% Ag und 4 Gew% CuO. Diese Lote haben die Eigenschaft, an der Berührungsstelle mit der Oxidkeramik Sub-Oxide zu bilden. Die Haftfestigkeit des Lotes mit dem Trägermaterial ist bedingt durch die Bildung dieser Sub-Oxide sehr hoch. Anwendung finden derartige Lote zum Verbinden von Metallteilen mit aus keramischem

L5 Material gebildeten Bauteilen. Ein derartiges Lot würde sich grundsätzlich auch zum Befestigen von Anschlusselementen mit dem ■ aus einem keramischen Material gebildeten Trägerplättchen eignen. Es ist jedoch nicht möglich, die gedruckten, aus Edelmetallen wie Ag, Pd, Au/Pd, As gebildeten Dickschicht-Leiterbahnen mittels des genannten Lotes mit Anschlusselementen zu versehen. Lot- und Leiterbahnmaterial sind nicht kompatibel. Beim Hartlöten legiert das Leiterbahnmaterial sofort mit dem Lot; die Haftung wird aufgehoben. Umgekehrt ist es aber auch nicht möglich, mit dem genannten Lot auf der Keramik befestigte Anschlusselemente nachträglich mit

Ϊ5 Dickschicht-Leiterbahnen zu kontaktieren, denn die Anschlusselemente und das Lot würden den Sintervorgang der Leiterbahnen nicht überstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nach- ;0 ' teile zu vermeiden und eine Dickschichtschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher einerseits die Leiterbahnen eine hohe Haftfestigkeit mit dem aus einem hoch isolierten Material gebildeten Trägerplättchen aufweisen, aber auch die Verbindungsstelle der Leiterbahnen mit den Anschlusselementen nach erfolgtem Hartlöten eine entsprechend hohe Festigkeit besitzen. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass man zum Siebdrucken der Leiterbahnen eine in Bezug auf die Oxidkeramik reaktive Pulvermischung verwendet, indem man dem Silberpulver

VPA 75 E 7134 b

709834/0538

Kupferoxid beimischt. Vorzugsweise besteht die Pulvermischung aus 92 Gew%Ag und höchstens 8 Gew%, jedoch aus nicht weniger als 4 Gew % CuO; besonders vorteilhaft ist eine Pulvermischung aus 94 Gew% Ag und 6 Gew% CuO.

Durch diese erfinderische Verfahrensweise erhält man eine Dickschichtschaltung, deren Leiterbahnen sowohl eine hohe Haftfestigkeit mit dem Material des Trägerplättchens, als auch mit den Anschlusselementen aufweisen. Die elektrische Leitfähigkeit der so erzeugten Leiterbahnen ist überraschend gut; der quadratische Flächenwiderstand R„ beträgt höchstens 10 Ohm. Die Leiterbahnen v/erden in bekannter Weise durch Siebdrucken auf das Trägerplättchen aufgebracht. Nach dem Trocknen der Schicht, z.B. an Luft oder in einem Trockenofen bei ca. 60°C erfolgt das Sintern in Luft bei ca. 930 bis 935°C. Das Hartlöten geschieht z.B. in einer stickstoff- oder Argonatmosphäre. Zwischen die zu verbindenden Teile werden vorgestanzte dünne Lotbleche, _vz.B. bestehend aus einem aus Cu und Ag gebildeten Eutektikum gelegt, deren Lage zueinander mittels einer Vorrichtung gesichert wird. Die Teile werden dann mit einem Temperaturanstieg von 164⁰C pro Minute auf die Löttemperatur von 820⁰C aufgeheizt.' Um Spannungen zu vermeiden, wird abschliessend das Substrat langsam, z.B. mit 14⁰C, jedoch nicht schneller als 4O⁰C pro Minute abgekühlt.

Für einen Ansatz der nach der Erfindung gebildeten Suspension wird zunächst das .Silberpulver mit einer Korngrösse zwischen 1/um bis 10/um mit dem Kupferoxidpulver -mit einer Korngrösse von höchstens 2/um- trocken gemischt. Den Silber- und Kupferoxid-Anteil hält man in den oberen Grenzen. Zu diesem Ansatz v/erden 35% eines zähflüssigen organischen Binders gemischt. Diese Suspension wird sodann mittels eines V/alzenstuhles homogenisiert. Als organische Binder eignen sich bekannte Lösungen, wie z.B. 10% Äthylcellulose in 90% Terpineol-Isomerengemisch oder Nitrozellulose in Butylcarbitolacetat. Die auf diese V/eise hergestellte Suspension bzw. Paste ist in ihrer Viskosität bereits so eingestellt, dass sie zum Siebdrucken auf Keramikkörper eignet.

Vorteilhaft ist es, die Leiterbahnen mit einer Mindestdicke von

VPA 75 E 7134 b

709834/0538

35 /um auszubilden. Dadurch wird eine gute Durchmischung und somit eine innige Verbindung des Hartlotes an der Kontaktierungsstelle mit den Anschlusselementen einerseits und den Leiterbahnen andererseits bewerkstelligt. Zum Erzeugen derartig dicker Leiter-' bahn-Struktur verwendet man ein Sieb von 110 mesh. An sich ist
es auch möglich, die aus den vorgenannten Stoffen gebildeten
Leiterbahnen mit aus einem anderen Material -z.B. mit aus Kupfer gebildeten Anschlusselement.en- durch Hartlöten zu kontaktieren, ggf. ohne Einfügung einer Lotfolie; das Kupfer-Silber Eutekti-

kum bildet sich dann von selbst aus.

Vorzugsweise findet das erfinderische Verfahren Anwendung zum
Erzeugen von Dickschichtschaltungen auf ein aus einer Oxidkeramik, z.B. Aluminiumoxid, Berylliumoxid, gebildetes Trägerplättchen. Das Verfahren ist aber auch mit den beschriebenen Vorteilen anwendbar, wenn das Trägerplättchen aus einem Kristall, näm- · lieh aus Quarz oder Saphir, aber auch aus einem bei vergleichsweise hoher Temperatur schmelzenden Glas, z.B. Quarzglas,- gebildet ist. ,

5 Patentansprüche

VPA 75 E 7134 b

709834/0538

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Dickschichtschaltung auf ein vorzugsweise aus einer Oxidkeramik gebildetes Trägerplättchen, indem man unter Verwendung einer pastenartigen Suspension, bestehend aus einer Silber enthaltenden Pulvermischung in einem flüssigen Bindemittel, diese im Siebdruckverfahren auf das Trägerplättchen aufbringt, und die so aufgebrachte Schaltung in einem v/eiteren Verfahrensschritt durch Sintern bzw, Einbrennen mit dem Material des Trägerplättchens verfestigt, dadurch gekennzeichnet, dass man zum Siebdrucken der Leiterbahnen eine in Bezug auf das Material des Trägerplättchens reaktive Pulvermischung verwendet, indem man dem Silberpulver Kupferoxid beimischt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Material des Trägerplättchens verbundenen Leiterbahnen aus mindestens 92 Gew?f> Ag und höchstens 8 Gewjo, jedoch aus nicht mehr als 4 Gew$ CuO, insbesondere jedoch aus 94 Gew% Ag und 6 Gew?o CuO bestehen.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Herstellung von 35/um dicken Leiterbahnen durch Siebdrucken ein Sieb von 110 mesh \^rerwendet.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass man zum Hartlöten der Anschlusselemente mit den Leiterbahnen ein eutektisches Kupfer-Silberlot verwendet, dessen Schmelztemperatur unter der Sintertemperatur der Leiterbahnen von 930 C gelegen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet , dass man zum Hartlöten der Anschiusselemente mit den aus Silber und Kuüferoxid bestehenden

VPA 75 E 7134 b

709834/0538

Leiterbahnen ein dünnes aus Silber imd Kupfer bestehendes Lotblech verwendet, wobei man zum Löten das aus Silber und Kupfer gebildete Blech zwischen Leiterbahn und Anschlusselement legt, diese Teile gegen eine Verlagerung sichert, und sodann auf die Löttemperatur von 820° aufheizt sowie nach erfolgtem Löten langsam, und zwar nicht schneller
als 4O⁰C pro Minute abkühlt.

VPA 75 E 7134 b

709834/0538*