DE10049596A1 - Dielektrische Keramikzusammensetzung und keramisches Elektronikbauteil - Google Patents

Dielektrische Keramikzusammensetzung und keramisches Elektronikbauteil

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine dielektrische Keramikzusammensetzung, die aus einer dielektrischen Keramikkomponente, die durch die Formel Ba(Zr¶x¶Zn¶y¶Ta¶z¶)alphaOomega dargestellt ist, worin auf Molbasis 0,01 x 0,06; 0,29 y 0,34; 0,60 z 0,70; x + y + z = 1; 1,00 < alpha < 1,03; omega eine beliebige Zahl sind und alpha ein Molverhältnis von Zr¶x¶Zn¶y¶Ta¶z¶ zu Ba angibt und aus einer Siliciumoxid und Boroxid enthaltenden Glaskomponente besteht. Diese dielektrische Keramikzusammensetzung lässt sich bei niedriger Temperatur sintern und zeigt überragende elektrische Temperaturkennwerte. Ein keramisches Elektronikbauteil hat eine aus dieser dielektrischen Keramikzusammensetzung bestehende dielektrische Lage (4) und mindestens eine leitende Lage (8, 9) (Figur 1).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft dielektrische Keramikzusammen­ setzungen mit verbesserten Dielektrizitätskonstanten und diese dielektrischen Keramikzusammensetzungen als dielektrische Lagen verwendende keramische Elektronik­ bauteile.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In den vergangenen Jahren wurde die Leistungsfähigkeit elektronischer Komponenten in der Elektronik beträchtlich verbessert. Insbesondere gibt es auf dem Computergebiet zur Versorgung der Informationsgesellschaft und bei Informationsverarbeitungseinheiten, wie z. B. in mobilen Kommunikationsterminals, den Trend zu immer höherer Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit und eine Entwicklung immer kompakterer und vielseitigerer Geräte. Durch hohe Integrationsdichten, hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten und die heute erreichten Leistungen von Halbleitern, wie sie in hoch integrierten und sehr hoch integrierten Halbleiter­ komponenten verwirklicht sind, wurden beträchtliche Verbesserungen in den Informationsverarbeitungsgeräten erzielt. Derartige, sehr schnelle Halbleiterkomponenten hoher Kapazität leisten jedoch nicht immer ihr Optimum, da die Substrate, die die Komponenten verbinden Signalverzögerungen, Übersprechen, Impedanzfehlanpassung und Störungen durch Fluktuationen der Versorgungsspannungen hervorrufen. Deshalb wird in der Praxis ein Mehrchipmodul (MCM), das mehrere Halbleitervorrichtungen auf einem Keramiksubstrat enthält, für sehr schnelle und leistungsfähige Informations­ verarbeitungsmodule verwendet. Bei solchen MCMs ist ein keramisches Mehrschichtsubstrat, welches ein dreidimensional angeordnetes Leitermuster enthält, zur Erhöhung der Montagedichte der Halbleitervorrichtungen und zur Ausführung guter elektrischer Verbindungen besonders nützlich.
Üblicherweise wurde als Isoliermaterial für derartige keramische Mehrschichtsubstrate Aluminiumoxid verwendet. Da Aluminiumoxid eine recht hohe Sintertemperatur von 1500°C braucht, muss ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Wolfram oder Molybdän, als Leitermaterial für einen einstufigen Sintervorgang eingesetzt werden. Das Sintern wird allgemein in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt, um die Oxidation des Metalls mit dem hohen Schmelzpunkt zu verhindern. Darüber hinaus hat das Metall mit dem hohen Schmelzpunkt einen großen spezifischen Widerstand. Deshalb sind die Hochfrequenzkennwerte des keramischen Mehrschicht­ substrats beschränkt.
Zusätzlich hat Aluminiumoxid eine große spezifische Dielektrizitätskonstante von annähernd 10. Dies kann bei einer sehr schnell arbeitenden Halbleitervorrichtung Signalverzögerungen verursachen. Da Aluminiumoxid im Vergleich mit dem häufig in Halbleitervorrichtungen verwendeten Silicium einen großen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten hat, ist die Zuverlässigkeit eines solchen Substrats wegen thermischer Dehnungs-/Kontraktionsvorgänge verringert.
Zur Lösung derartiger Schwierigkeiten werden bei tiefen Temperaturen sinterbare Keramikverbundstoffe, die aus Keramikbestandteilen und Glasbestandteilen bestehen, eingehend erforscht und derartige Verbundstoffe verwendende keramische Mehrschichtsubstrate entwickelt. Die bei tiefer Temperatur sinterbaren Keramiken enthalten Keramikbestand­ teile in Matrixform und Glasbestandteile als Sinterzusätze und haben niedrige Sintertemperaturen. Deshalb lassen sich solche Materialien, die eine große Vielfalt von Eigenschaften und verschiedene Sintertemperaturen zeigen, ohne Beschränkungen verwenden. Insbesondere erleichtert die Anwendung eines bei niedriger Temperatur sinterbaren Keramikmaterials ein einstufiges Sintern zusammen mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt und kleinem spezifischen Widerstand, wie Kupfer, Silber und Gold, die Herstellung keramischer Mehrschichtsubstrate, die überragende Hochfrequenzkennwerte haben.
Jüngst wurden passive Bauteile, wie Kondensatoren und Spulen von auf der Substratoberfläche montierten Komponenten in ein keramisches Mehrschichtsubstrat bei Versuchen, die Baugruppen noch mehr zu miniaturisieren, eingebettet. In einem solchen Fall müssen die eingebetteten passiven Bauteile Kennwerte haben, die mit denen der montierten aktiven Elemente vergleichbar oder noch besser sind, um die Vorteile der Miniaturisierung der Module zu erhalten.
Wenn passive Bauteile in ein keramisches Mehrschichtsubstrat eingebettet werden, wählt man im allgemeinen das Substratmaterial so, dass die passiven Elemente die gewünschten Eigenschaften haben. Beispielsweise wird eine dielektrische Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante an einem Abschnitt angebracht, an dem ein Kondensator gebildet wird, wohingegen eine Isolierschicht, die einen hohen Isolierwiderstand hat, an anderen Abschnitten vorgesehen ist, um auf diese Weise ein kompaktes und sehr leistungsfähiges keramisches Mehrschichtsubstrat herzustellen.
Die japanische geprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 6-8209 des vorliegenden Anmelders, beschreibt eine dielektrische Keramikzusammensetzung, die durch die Formel Ba(ZrxZnyTaz)αOω dargestellt ist, worin auf Molbasis 0,01 ≦ x ≦ 0,06; 0,29 ≦ y ≦ 0,34; 0,60 ≦ z ≦ 0,70; x + y + z = 1; 1,00 < α < 1,03 sind und ω eine beliebige Zahl ist, und dieses Material wird für eine dielektrische Schicht verwendet, die eine hohe Dielektrizitätskonstante hat. Diese dielektrische Keramikzusammensetzung erhält man durch Sintern bei einer Temperatur von mindestens 1500°C und sie hat überragende elektrische Kennwerte, wie eine hohe spezifische Dielektrizitätskonstante, einen kleinen Temperatur­ koeffizienten der Resonanzfrequenz und bei annähernd 7 GHz einen Q-Wert von mindestens 8000.
Da jedoch diese dielektrische Keramikzusammensetzung eine extrem hohe Sintertemperatur von mindestens 1500°C hat, schließt sie ein einstufiges Sintern mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. Silber, aus. Wenn eine Glaskomponente zur Verringerung der Sintertemperatur hinzugegeben wird, wird die Substratfestigkeit im Vergleich mit Aluminiumoxidsubstraten in manchen Fällen, abhängig von Typ und Gehalt des Glasbestandteils, beträchtlich verringert oder die elektrischen und Temperaturkennwerte können auch dann, wenn die Substratfestigkeit hoch ist, wesentlich verschlechtert sein.
Wenn die Substratfestigkeit die Hauptrolle spielt, ist die spezifische Dielektrizitätskonstante des Substrats verringert. Deshalb lassen sich mit dem Substrat nur schwer Kondensatoren mit großen Kapazitäten bilden. Wenn diese Kondensatoren auf dem Substrat gebildet werden, belegen die Elektroden derselben eine große Substratfläche, und dies ist für die Miniaturisierung und hochdichte Montage des Substrats nachteilig. Wenn den elektrischen und Temperaturkennwerten die größte Bedeutung zugemessen wird, ist die mechanische Festigkeit des Substrats zu gering für die Bestückung mit Halbleitervorrichtungen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine dielektrische Keramikzusammensetzung zu ermöglichen, die bei niedriger Temperatur gesintert werden kann und die eine hohe Dielektrizitätskonstante und überragende elektrische und Temperaturkennwerte zeigt und außerdem ein keramisches Elektronikbauteil anzugeben, das diese dielektrische Keramikzusammensetzung verwendet.
Diese Erfindung betrifft eine dielektrische Keramikzusammensetzung, die aufweist: einen dielektrischen Keramikbestandteil, der durch die Formel: Ba(ZrxZnyTaz)αOω dargestellt ist, worin auf Molbasis 0,01 ≦ x ≦ 0,06; 0,29 ≦ y ≦ 0,34; 0,60 ≦ z ≦ 0,70; x + y + z = 1; 1,00 < α < 1,03 sind; ω eine beliebige Zahl ist und α ein Molverhältnis von ZrxZnyTaz zu Ba angibt; sowie eine Glaskomponente, die Siliciumoxid und Boroxid aufweist.
Bevorzugt ist der Gehalt der Glaskomponente 1 bis 25 Gewichtsteile bezogen auf 100 Gewichtsteile des dielektrischen Keramikbestandteils.
Bevorzugt weist die Glaskomponente 10 bis 60 Gewichtsprozente Siliciumoxid, 5 bis 40 Gewichtsprozente Boroxid, 0 bis 30 Gewichtsprozente Aluminiumoxid, 20 bis 70 Gewichtsprozente von wenigstens einem der Stoffe: Erdalkalimetalloxide und Zinkoxide und 0 bis 15 Gewichtsprozente Alkalimetalloxide auf.
In dieser Erfindung können 30 Molprozente oder weniger des Elements Zn in dem dielektrischen Keramikbestandteil durch Ni ersetzt sein.
Außerdem können 30 Molprozente oder weniger des Elements Ta in der dielektrischen Keramikzusammensetzung durch Nb ersetzt sein.
Weiter betrifft diese Erfindung ein keramisches Elektronikbauteil, das eine dielektrische Schicht und eine leitende Schicht aufweist, von denen die dielektrische Schicht die oben erwähnte dielektrische Keramikzusammensetzung aufweist.
In dem keramischen Elektronikbauteil weist die leitende Schicht bevorzugt wenigstens ein Leitermaterial auf, das gewählt ist aus einem auf Kupfer basierenden Stoff, einem auf Silber basierenden Stoff und einem auf Gold basierenden Stoff.
Wie oben beschrieben, weist die dielektrische Keramik­ zusammensetzung gemäß der Erfindung den durch die obige Formel dargestellten dielektrischen Keramikbestandteil (der nachstehend als dielektrischer Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramik­ bestandteil bezeichnet ist) und die Glaskomponente auf, die wenigstens Siliciumoxid und Boroxid enthält (nachstehend als SiO2-B2O3-Glasbestandteil bezeichnet). Die dielektrische Keramikzusammensetzung hat eine hohe spezifische Dielektrizitätskonstante, einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz und einen hohen Q-Wert im hochfrequenten Bereich des dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikbestandteils. Darüber hinaus lässt sich die dielektrische Keramikzusammensetzung mit überragenden elektrischen und Temperaturkennwerten bei einer niedrigeren Sintertemperatur als die Schmelztemperaturen der bei niedriger Temperatur schmelzenden Metalle erzeugen.
In dem keramischen Elektronikbauteil, bei dem die leitende Schicht auf der dielektrischen Schicht liegt, ist die dielektrische Schicht aus der dielektrischen Keramikzusammensetzung gemäß der Erfindung gebildet. Deshalb kann die dielektrische Schicht gleichzeitig zusammen mit einem metallischen Stoff mit niedriger Schmelztemperatur und kleinem spezifischem Widerstand gesintert werden. Als Ergebnis zeigt das keramische Elektronikbauteil überragende elektrische Eigenschaften und Temperaturkennwerte und insbesondere überragende Hochfrequenzkennwerte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines keramischen Mehrschichtsubstrats in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines LC- Filters in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung des mit der zweiten Ausführungsform übereinstimmenden LC- Filters; und
Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild des mit der zweiten Ausführungsform übereinstimmenden LC-Filters.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In dieser Erfindung ist der dielektrische Keramikbestandteil dargestellt durch die Formel: Ba(ZrxZnyTaz)αOω, worin auf Molbasis 0,01 ≦ x ≦ 0,06; 0,29 ≦ y ≦ 0,34; 0,60 ≦ z ≦ 0,70; x + y + z = 1 und 1,00 < α < 1,03 sind und α ein Molverhältnis von ZrxZnyTaz zu Ba ist. Dieser dielektrische Keramik­ bestandteil zeigt überragende elektrische und Temperatur­ eigenschaften, d. h. eine hohe Dielektrizitätskonstante, einen kleinen Temperaturkoeffizenten der Resonanzfrequenz und einen sehr hohen Q-Wert im hochfrequenten Bereich.
Bei x < 0,01 auf Molbasis lässt sich der dielektrische Keramikbestandteil kaum bei einer Temperatur unter 1100°C sintern, auch wenn die SiO2-B2O3-Glaskomponente hinzugefügt wird, oder der Q-Wert der sich ergebenden dielektrischen Keramikzusammensetzung ist auch dann niedrig, wenn das Sintern bei einer Temperatur nicht über 1100°C abläuft. Bei x < 0,06 erhöht sich der Temperaturkoeffizient der Resonanz­ frequenz der dielektrischen Keramikzusammensetzung.
Wenn auf der einen Seite auf Molbasis y < 0,29 oder y < 0,34 ist, lässt sich auf der einen Seite die dielektrische Keramikzusammensetzung kaum bei einer Temperatur unter 1100°C sintern, auch wenn die SiO2-B2O3-Glaskomponente zugefügt ist, und auf der anderen Seite zeigt die sich ergebende dielektrische Keramikzusammensetzung einen sehr kleinen Q- Wert.
Wenn auf Molbasis z < 0,60 oder z < 0,70 ist, lässt sich einerseits die dielektrische Keramikzusammensetzung kaum bei einer Temperatur unter 1100°C sintern, auch wenn die SiO2- B2O3-Glaskomponente zugesetzt ist, und auf der anderen Seite zeigt die sich ergebende dielektrische Keramikzusammensetzung einen sehr kleinen Q-Wert.
Wenn auf Molbasis α ≦ 1,00 ist, lässt sich die dielektrische Keramikzusammensetzung bei einer Temperatur unter 1100°C kaum sintern, auch wenn die SiO2-B2O3-Glaskomponente hinzugefügt wird, oder die sich ergebende dielektrische Keramikzusammen­ setzung zeigt einen sehr kleinen Q-Wert. Auch wenn α ≧ 1,03 ist, hat die dielektrische Keramikzusammensetzung einen niedrigen Q-Wert.
Die SiO2-B2O3-Glaskomponente dieser Erfindung erreicht primär eine Verringerung der Sintertemperatur des dielektrischen auf Ba(ZrxZnyTaz)αOω basierenden Keramikbestandteils. Siliciumoxid und Boroxid im Glasbestandteil sind für das Sintern bei niedriger Temperatur unter 1100°C verantwortlich und für die überragenden elektrischen und Temperaturkennwerte, wie z. B. einen hohen Q-Wert.
Bei dieser Erfindung werden bevorzugt zu 100 Gewichtsteilen der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikzusammensetzung 1 bis 25 Gewichtsteile der SiO2-B2O3-Glaskomponente zugesetzt. Bei einem Gehalt der Glaskomponente unter 1 Gewichtsteil ist die Sinterung unter 1100°C unbefriedigend. Wenn der Gehalt der Glaskomponente 25 Gewichtsteile überschreitet, hat der Q- Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung die Tendenz, sich zu verringern.
Die SiO2-B2O3-Glaskomponente enthält bevorzugt 10 bis 60 Gewichtsprozent Siliciumoxid (SiO2), 5 bis 40 Gewichtsprozente Boroxid (B2O3), 0 bis 30 Gewichtsprozente Aluminiumoxid (Al2O3), 20 bis 70 Gewichtsprozente Erdalkalimetalloxid und/oder Zinkoxid und 0 bis 15 Gewichtsprozente Alkalimetalloxid.
Bei einem SiO2-Gehalt der Glaskomponente unter 10 Gewichtsprozente neigt die hergestellte dielektrische Keramikzusammensetzung zu verringerter Feuchtigkeits­ festigkeit und zu einem verringerten Q-Wert. Mit einem 60 Gewichtsprozente übersteigenden SiO2-Gehalt erhöht sich die Erweichungstemperatur des Glasbestandteils, und das Sintern kann bei der Temperatur 1000°C oder weniger, die eine einstufige Sinterung mit einem auf Ag oder Cu beruhenden Material erleichtert, verhindert sein.
Bei einem B2O3-Gehalt unter 5 Gewichtsprozente ist der Erweichungspunkt des Glasbestandteils übermäßig überhöht und das Sintern kann unterbunden sein. Bei einem 40 Gewichtsprozente übersteigenden B2O3-Gehalt neigt die Feuchtebeständigkeit der dielektrischen Keramikzusammen­ setzung dazu, sich zu verschlechtern.
Al2O3 ist kein wesentlicher Bestandteil in dieser Erfindung und kann in einer Menge von 30 Gewichtsprozenten oder weniger enthalten sein. Ein 30 Gewichtsprozente übersteigender Al2O3- Gehalt erhöht den Erweichungspunkt der Glaskomponente und kann das Sintern verhindern.
Bei einem Gesamtanteil von Erdalkalimetalloxid, wie z. B. MgO, CaO, SrO und BaO sowie Zinkoxid, unter 20 Gewichtsprozent ist der Erweichungspunkt der Glaskomponente übermäßig erhöht und das Sintern kann verhindert sein. Bei einem 70 Gewichtsprozente übersteigenden Gehalt neigen die Feuchtebeständigkeit und der Q-Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung dazu, sich zu verringern.
Der Zusatz des Alkalimetalloxids, wie z. B. Li2O, Na2O, K2O, zur Glaskomponente wirkt sich in einer verringerten Sintertemperatur der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω- Keramikzusammensetzung aus. Bei einem Alkalimetalloxid-Gehalt über 15 Gewichtsprozente neigen die Feuchtebeständigkeit und der Q-Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung dazu, sich zu verringern.
Es ist bevorzugt, dass 30 Molprozente oder weniger Zn in der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikzusammensetzung durch Ni ersetzt werden, um den Q-Wert noch mehr zu steigern. Der Q-Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung kann auch durch Ersetzen von 30 Molprozenten oder weniger von Ta durch Nb gesteigert werden. Der Q-Wert lässt sich noch mehr verbessern, wenn man 30 Molprozente oder weniger Zn durch Ni und 30 Molprozente oder weniger Ta durch Nb ersetzt.
Genauer kann ein Block der Glas-Keramikmischung bei einer Temperatur von 900°C bis 1100°C gesintert werden, wenn 1 bis 25 Gewichtsteile der SiO2-B2O3-Glaskomponente zu 100 Gewichtsteilen der Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikkomponente gegeben werden, wobei die Glas-Keramikmischung durch die Formel Ba{Zrx(Zn1-uNiu)y(Ta1-vNbv)z}αOω dargestellt ist, worin auf Molbasis 0,01 ≦ x ≦ 0,06; 0,29 ≦ y ≦ 0,34; 0,60 ≦ z ≦ 0,70; x + y + z = 1; 1,00 < α < 1,03; 0 < u ≦ 0,30; 0 < v ≦ 0,30 und ω eine beliebige Zahl ist. Deshalb lässt sich die dielektrische Keramikzusammensetzung gleichzeitig mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt und niedrigem Widerstand, wie Silber oder Kupfer, sintern und hat überragende elektrische Eigenschaften, d. h. eine spezifische Dielektrizitätskonstante εr von mindestens 25 und einen Q-Wert von mindestens 1000.
In dem erfindungsgemäßen keramischen Elektronikbauteil dieser Erfindung weist die leitende Lage oder Schicht bevorzugt wenigstens ein metallisches Material mit niedrigem Schmelzpunkt auf, das gewählt ist aus einem auf Kupfer beruhenden Material, wie z. B. reines Kupfer, CuO oder Cu2O; einem auf Silber basierenden Material, wie z. B. elementares Silber, Ag-Pt, Ag-Pd und einem auf Gold basierenden Material, wie z. B. elementares Gold. Diese metallischen Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt sind relativ preiswert erhältlich, haben einen verhältnismäßig kleinen Widerstand und zeigen überragende Eigenschaften im hochfrequenten Bereich.
In dem erfindungsgemäßen keramischen Elektronikbauteil kann die dielektrische Lage auf einer Isolierlage liegen. D. h., dass das keramische Elektronikbauteil dieser Erfindung auch ein keramisches Mehrlagensubstrat betrifft, in dem eine Kondensatoren und dergleichen enthaltende dielektrische Lage auf einer ein isolierendes Substrat bildenden Isolierlage vorgesehen ist.
Es ist bevorzugt, dass die Isolierlage aus einer Keramikzusammensetzung besteht, die gleichzeitig zusammen mit dem oben erwähnten metallischen Material mit niedrigem Schmelzpunkt gesintert werden kann. Z. B. kann die Isolierlage aus Glaskomponenten wie B2O3, MgO und SiO2 enthaltendem MgAl2O4 oder aus einer eine CaO-Al2O3-SiO2-Glaskomponente enthaltenden pulverförmigen Aluminiumoxid-Keramik bestehen.
Die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen keramischen Elektronikbauteils werden nun beschrieben.
Erste Ausführungsform
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird nun eine erste Ausführungsform des keramischen Elektronikbauteils beschrieben, ein keramisches Mehrlagenmodul, welches ein keramisches Mehrlagensubstrat 2 und Bauteile 11, 12 und 13 enthält, wie z. B. Halbleitervorrichtungen, die auf dem keramischen Mehrlagensubstrat 2 montiert sind. In dem keramischen Mehrlagensubstrat ist eine dielektrische Lage 4, die mit der erfindungsgemäßen dielektrischen Keramikzusammensetzung übereinstimmt, zwischen einer Isolierlage 3a und einer anderen Isolierlage 3b angeordnet. Die dielektrische Lage 4, die eine hohe Dielektrizitätskonstante hat, enthält Innenelektroden 8 und 9 zur Ausbildung von Kondensatoren C1 und C2. Die Isolierlagen 3a und 3b enthalten interne Leitungen 6 und 7 zur elektrischen Verbindung der Kondensatoren C1 und C2 und der Außenanschlüsse.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Mehrlagensubstrats 2 beschrieben.
Als Materialien für die Isolierlagen 3a und 3b werden beispielsweise eine pulverförmige Aluminiumoxidkeramik und pulverisiertes Glas, das primär aus CaO-Al2O3-SiO2 besteht, bereitet, und 20 bis 30 Gewichtsteile des pulverförmigen Glases werden mit 100 Gewichtsteilen der pulverförmigen Aluminiumoxidkeramik verbunden. Ein organischer Binder, ein Dispergiermittel, ein Plastifizierer und ein organisches Lösungsmittel werden der Mischung in geeigneten Mengen zugegeben, um einen Brei für die Isolierlagen zu bereiten. Der Brei wird durch ein Rakelverfahren ausgestrichen, um keramische Grünblätter für die Isolierlagen zu bilden.
Als Material für die dielektrische Lage 4 wird pulverförmige dielektrische Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramik bereitet und eine Stunde lang bei 1000°C calciniert. Das calcinierte Material wird pulverisiert und die SiO2-B2O3-Glaskomponente mit dem pulverisierten Material unter Bereitung eines Glas- Keramikgemisches verbunden. Ein organischer Stoff, ein Dispergiermittel, ein Plastifizierer und ein organisches Lösungsmittel werden dem Gemisch in geeigneten Mengen zugegeben, um einen Brei für die dielektrische Lage zu bilden. Der Brei für die dielektrische Lage wird mit einem Rakelverfahren ausgestrichen, um so ein keramisches Grünblatt für die dielektrische Lage zu bilden.
Dann werden, wenn nötig, Bohrungen in den keramischen Grünblättern für die Isolierlage und dem keramischen Grünblatt für die dielektrische Lage gebildet und dann mit einer leitenden Paste oder leitendem Pulver zur Ausbildung von Durchkontaktierungen (vias) ausgefüllt. Dann wird auf das keramische Grünblatt für die dielektrische Lage eine leitende Paste zur Bildung von Kondensatoren C1 und C2 aufgedruckt. Außerdem werden, wenn benötigt, leitende Muster auf den keramischen Grünblättern für die Isolierlagen gebildet und die keramischen Grünblätter für die dielektrische Lage und für die Isolierlagen anschließend laminiert.
Die laminierten keramischen Grünblätter werden unter Bildung eines Laminatblocks gepresst. Wenn nötig kann der Block in geeignete Stücke geschnitten oder Rillen auf dem Block gebildet werden. Der Block wird bei einer Temperatur nicht über 1000°C gesintert und so das in Fig. 1 gezeigte keramische Mehrlagensubstrat 2 einschließlich der Kondensatoren C1 und C2 hergestellt.
Die dielektrische Lage 4 kann durch abschnittsweises Drucken einer dielektrischen Paste zur Ausbildung von Elektroden gebildet werden, wobei diese dielektrische Paste durch Vermischen eines pulverförmigen Glaskeramikgemisches, das einen dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikbestandteil und einen SiO2-B2O3-Glasbestandteil enthält, mit einem organischen Träger, einem organischen Lösungsmittel und einem Plastifizierer bereitet werden kann. In einem solchen Fall kann, nachdem die dielektrische Lage gebildet ist, ein keramisches Mehrlagensubstrat durch Laminieren, Kompression, Schneiden und Sintern der Grünblätter gebildet werden.
Da das mit der ersten Ausführungsform übereinstimmende keramische Mehrlagensubstrat 2 in sich Kondensatoren birgt, hat das Substrat reduzierte Abmessungen. Darüber hinaus hat die dielektrische Lage 4 zwischen den Elektroden, die die Kondensatoren bilden, eine hohe Dielektrizitätskonstante. Deshalb kann ein verhältnismäßig kleinflächiges Elektrodenmuster Kondensatoren mit großen Kapazitäten bilden.
Da die dielektrische Lage 4 aus der erfindungsgemäßen dielektrischen Keramikzusammensetzung besteht, zeigt das keramische Mehrlagensubstrat 2 überragende elektrische und Temperaturkennwerte aufgrund eines zufriedenstellenden Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz, einer hohen spezifischen Dielektrizitätskonstanten und eines hohen Q- Werts des dielektrischen Keramikbestandteils. Bevorzugt enthalten die Isolierlagen 3a und 3b einen Glasbestandteil, der im wesentlichen derselbe ist, wie der SiO2-B2O3- Glasbestandteil für die dielektrische Lage 4, um die Haftung zwischen den Isolierlagen 3a und 3b und der dielektrischen Lage 4 zu steigern.
2. Ausführungsform
Bezogen auf die Fig. 2 bis 4 wird ein mit einer zweiten Ausführungsform übereinstimmendes keramisches Elektronikbauteil beschrieben, ein LC-Filter 21, das eine dielektrische Lage 22 hat, die Spulenmuster 26a, 26b, 26c und 26d und Kondensatormuster 27a, 27b und 27c enthält.
Das LC-Filter 21 kann wie folgt hergestellt werden. Eine dielektrische Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikkomponente und eine SiO2- B2O3-Glaskomponente werden zur Bereitung eines pulverförmigen Glaskeramikgemisches verbunden und dazu ein organischer Träger zur Bereitung eines Breis zugegeben. Aus dem Brei wird durch Gießen oder dergleichen ein keramisches Grünblatt gebildet, das eine Dicke von z. B. 40 µm hat. Das keramische Grünblatt wird in vorbestimmten Abmessungen ausgestanzt, um so keramische Grünblätter 22a bis 22m für die dielektrischen Lagen zu bilden.
Wie Fig. 2 zeigt, werden, wo nötig, Vias 28 durch die keramischen Grünblätter 22a bis 22m für die dielektrischen Lagen gebildet. Mit leitenden Pasten werden Muster 26a bis 26b für eine Spule L1, Muster 27a bis 27c für einen Kondensator C und Muster 26c und 26d für eine Spule L2 mittels Siebdruck auf die keramischen Grünblätter 22a bis 22m für die dielektrischen Lagen aufgedruckt. Die keramischen Grünblätter 22a bis 22m werden zur Bildung eines in Fig. 3 gezeigten Laminatblocks 22 laminiert und komprimiert.
Der Laminatblock wird bei einer Temperatur von 1000°C oder weniger zwei Stunden lang zur Bildung der dielektrischen Lagen 22 gesintert. Wie Fig. 3 zeigt, werden Außenelektroden 23a, 23b, 24a und 24b auf zwei Seiten der so hergestellten dielektrischen Lage 22 gebildet, um so das LC-Filter 21 einschließlich des Kondensators C und der Spulen L2 und L2 herzustellen. Das LC-Filter 21 hat die in Fig. 4 gezeigte Ersatzschaltung.
In dem mit der zweiten Ausführungsform übereinstimmenden LC- Filter 21 ist die dielektrische Lage 22 des Laminatblocks aus der dielektrischen Keramikzusammensetzung geformt und hat einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz, eine hohe spezifische Dielektrizitätskonstante und einen hohen Q-Wert. Deshalb zeigt das LC-Filter überragende elektrische und Temperaturkennwerte. Durch die Bildung der Kondensator- und Spulenmuster aus Metall mit niedrigem Schmelzpunkt zeigt das LC-Filter überragende Hochfrequenzeigenschaften.
Diese Erfindung wurde bezogen auf das keramische Mehrlagenmodul und das LC-Filter beschrieben, ist jedoch auf die obigen Ausführungsformen nicht beschränkt.
Z. B. kann das keramische Elektronikbauteil dieser Erfindung ein keramisches Mehrlagensubstrat, wie z. B. ein Mehrchipmodul-Substrat oder ein Hybrid-IC-Substrat, ein keramisches Elektronikbauteil, das ein keramisches Mehrfach­ modul enthält, das auf der Oberfläche montierte Komponenten hat, oder auch ein chipförmiges keramisches Elektronik­ bauteil, wie z. B. ein monolithischer Chipkondensator oder eine Chipantenne sein.
Beispiele
Diese Erfindung wird nun in Einzelheiten bezogen auf die folgenden Beispiele beschrieben. Als Ausgangsmaterialien für eine Glaskomponente wurden BaCO3, SrCO3, CaCO3, MnCO3, ZnO, Al2O3, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, SiO2 und B2O3 bereitet und auf der Basis der in den Tabellen 1 und 2 gezeigten Rezepturen verbunden. Jedes Gemisch wurde in einem Pt-Rh-Tiegel bei 1400°C bis 1600°C geschmolzen, gequetscht und dann pulverisiert. Pulverisierte Glasproben G1 bis G35 wurden auf diese Weise bereitet.
Als Ausgangsmaterialien für dielektrische Keramikkomponenten wurden BaCO3, ZrO2, ZnO, Ta2O5, NiO und Nb2O5 und gemäß den in den Tabellen 3 bis 5 gezeigten Rezepturen verbunden. Jede Verbindung wurde mit einer Kugelmühle in einem Nassprozess 16 Stunden lang gemischt, dehydratisiert, getrocknet und zwei Stunden lang bei 1000°C erhitzt, um ein Gemisch für eine dielektrische Keramikkomponente zu bereiten.
Eine der pulverförmigen Glasproben G1 bis G35 wurde zu 100 Gewichtsprozenten jeder Mischung der auf den Rezepturen in den Tabellen 3 bis 5 beruhenden dielektrischen Keramikbestandteile zugegeben. Ein organischer Binder und ein Plastifizierer wurden jedem Glas-Keramikgemisch zugegeben und das Glas-Keramikgemisch in einer Kugelmühle im Nassprozess 16 Stunden lang pulverisiert und damit ein Brei für eine dielektrische Keramikzusammensetzung bereitet.
Der Brei wurde durch Druckguss unter einem Druck von 2000 ­ kgf/cm2 gegossen und so eine Grünscheibe gebildet, die einen Durchmesser von 10 mm und nach dem Sintern eine Dicke von 5 ­ mm hatte. Die Grünscheibe wurde bei 900°C bis 1200°C zwei Stunden lang gesintert. Auf diese Weise wurden die in den Tabellen 3 bis 5 gezeigten dielektrischen Keramikzusammen­ setzungen 1 bis 63 bereitet.
Die spezifische Dielektrizitätskonstante (εr) bei Resonanz­ frequenz (annähernd 7 GHz) und der Q-Wert jeder dielektri­ schen Keramikzusammensetzung wurden mittels einer dielektri­ schen Resonatormethode (kurzgeschlossen an beiden Enden eines dielektrischen Resonators), d. h. mit einer Hakki-&-Coleman- Methode gemessen. Die Ergebnisse und die Sintertemperaturen sind in den Tabellen 6 bis 8 gezeigt.
Von den dielektrischen Keramikzusammensetzungen 3, 4, 7, 9, 11 bis 12, 17 bis 30 und 34 bis 63 erfüllen die dielektri­ schen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikkomponenten die Beziehungen, bei denen auf Molbasis 0,01 ≦ x ≦ 0,06; 0,29 ≦ y ≦ 0,34; 0,60 ≦ z ≦ 0,70; x + y + z = 1 und 1,00 < α < 1,03 sind, und SiO2-B2O3- Glaskomponenten wurden den dielektrischen Keramikkomponenten zugegeben. Diese dielektrischen Keramikzusammensetzungen können bei 1100°C oder weniger gesintert werden, zeigen hohe spezifische Dielektrizitätskonstanten und hohe Q-Werte im hochfrequenten Bereich.
Unter diesen ist in der Zusammensetzung Nr. 23 der Gehalt der SiO2-B2O3-Glaskomponente 25 Gewichtsteile bezogen auf 100 Gewichtsteile der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramik­ komponente. Ein derart hoher Glasgehalt verursacht eine Verringerung der spezifischen Dielektrizitätskonstante und des Q-Werts. In den Zusammensetzungen 17 und 19 macht der Gehalt der SiO2-B2O3-Glaskomponente weniger als 1 Gewichtsteil aus, und deshalb ist eine dichte Sinterung derartiger Zusammensetzungen bei 1000°C oder weniger schwer zu erreichen.
Weil die Zusammensetzungen 19 bis 23 hohe spezifische Dielektrizitätskonstanten und hohe Q-Werte haben, liegt der Gehalt der SiO2-B2O3-Glaskomponente bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 25 Gewichtsteilen bezogen auf 100 Gewichtsteile der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikkomponente.
Die dielektrischen Keramikzusammensetzungen 13 bis 16, die kein SiO2 oder B2O3 in der Glaskomponente enthalten, können bei niedriger Temperatur nicht über 1100°C nicht gesintert werden oder zeigen sehr niedrige Q-Werte.
Von den SiO2-B2O3-Glaskomponenten zeigt die dielektrische Keramikzusammensetzung Nr. 35, die weniger als 10 Gewichtsprozente SiO2 enthält, eine sehr geringe Feuchteresistenz und neigt zu einem niedrigen Q-Wert. Auf der anderen Seite verursacht die dielektrische Keramikzusammen­ setzung Nr. 38, deren SiO2-Gehalt 60 Gewichtsprozente übersteigt, eine erhöhte Sintertemperatur.
In den SiO2-B2O3-Glaskomponenten zeigt die dielektrische Keramikzusammensetzung Nr. 39, die weniger als 5 Gewichtsprozente B2O3 enthält, eine Erhöhung der Sinter­ temperatur und lässt sich schlechter sintern. Auf der anderen Seite verursacht die dielektrische Keramikzusammensetzung Nr. 38, deren B2O3-Gehalt 40 Gewichtsprozente übersteigt, eine etwas niedrigere Feuchteresistenz.
Die SiO2-B2O3-Glaskomponente braucht kein Al2O3 zu enthalten, wie dies z. B. in der dielektrischen Keramikzusammensetzung 36 gezeigt ist. Die dielektrische Keramikzusammensetzung Nr. 45, deren Al2O3-Gehalt 30 Gewichtsprozente übersteigt, zeigt eine leicht verschlechterte Sinterbarkeit.
In den dielektrischen Keramikzusammensetzungen 50, 56, 58 und 62, bei denen in den SiO2-B2O3-Glaskomponenten die Gesamt­ mengen der Erdalkalimetalloxide (MgO, CaO, SrO und BaO) und Zinkoxid (ZnO) kleiner als 20 Gewichtsprozente sind, besteht die Neigung, dass sich die Sintertemperatur erhöht. Auf der anderen Seite sind in den dielektrischen Keramikzusammen­ setzungen 53 und 55, bei denen die Gesamtmengen der Erdalkilimetalloxide 70 Gewichtsprozente übersteigen, die Feuchtefestigkeit leicht verringert und der Q-Wert neigt dazu, sich zu verringern.
In den dielektrischen Keramikzusammensetzungen 46 und 48, deren Alkalimetalloxidgehalt (Li2O, Na2O und K2O) in der SiO2- B2O3-Glaskomponente 15 Gewichtsprozente übersteigt, verschlechtert sich die Feuchteresistenz leicht und der Q- Wert neigt dazu, sich zu verringern.
Die dielektrischen Keramikzusammensetzungen 1 und 2, in denen der Zr-Gehalt x der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramik­ komponenten im Molverhältnis kleiner als 0,01 ist, kann nicht bei einer Temperatur unter 1100°C gesintert werden oder zeigt, auch wenn die Sinterung bei dieser Temperatur zufriedenstellend ist, geringere Q-Werte. Andererseits hat die dielektrische Keramikzusammensetzung Nr. 31, in der x < 0,06 ist, einen Temperaturkoeffizienten τf der Resonanz­ frequenz von 30 ppm/°C oder mehr, obwohl diese Zusammenset­ zung einen hohen Q-Wert zeigt.
Die dielektrischen Keramikzusammensetzungen 5, 6 und 32, bei denen auf Molbasis y < 0,29 oder y < 0,34 in den dielektri­ schen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikzusammensetzungen ist, können nicht bei einer Temperatur unter 1100°C gesintert werden oder zeigen wesentlich kleinere Q-Werte.
Die dielektrische Keramikzusammensetzung Nr. 10, bei der in der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikkomponente α ≦ 1,00 auf Molbasis ist, kann bei einer Temperatur unter 1100°C nicht gesintert werden. Andererseits zeigen die dielektri­ schen Keramikzusammensetzungen 8 und 33, bei denen α ≧ 1,03 ist, niedrige Q-Werte.
Die dielektrische Keramikzusammensetzung Nr. 27, bei der mehr als 30 Molprozente Zn durch Ni in der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikkomponente ersetzt sind, zeigt einen leicht verringerten Q-Wert. Die dielektrische Keramik­ zusammensetzung Nr. 29, bei der mehr als 30 Molprozente Ta durch Nb in der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramik­ komponente ersetzt sind, zeigt einen leicht verringerten Q- Wert. Die dielektrische Keramikzusammensetzung Nr. 30, bei der mehr als 30 Molprozente Ta durch Nb und mehr als 30 Molprozente Ta durch Nb in der dielektrischen Ba(ZrxZnyTaz)αOω-Keramikkomponente ersetzt sind, zeigt einen niedrigen Q-Wert und eine verringerte spezifische Dielektrizitätskonstante.

Claims (7)

1. Dielektrische Keramikzusammensetzung, gekennzeichnet durch:
  • - eine dielektrische Keramikkomponente, dargestellt durch die Formel: Ba(ZrxZnyTaz)αOω, worin auf Molbasis 0,01 ≦ x ≦ 0,06; 0,29 ≦ y ≦ 0,34; 0,60 ≦ z ≦ 0,70; x + y + z = 1; 1,00 < α < 1,03 sind und ω eine beliebige Zahl ist und wobei α ein Molverhältnis von ZrxZnyTaz zu Ba darstellt; und
  • - eine Glaskomponente, die Siliciumoxid und Boroxid aufweist.
2. Dielektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt der Glaskomponente 1 bis 25 Gewichtsteile bezogen auf 100 Gewichtsteile der dielektrischen Keramikkomponente beträgt.
3. Dielektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskomponente 10 bis 60 Gewichtsprozente Siliciumoxid, 5 bis 40 Gewichtsprozente Boroxid, 0 bis 30 Gewichtsprozente Aluminiumoxid, 20 bis 70 Gewichtsprozente von wenigstens einem der Bestandteile Erdalkalimetalloxid und Zinkoxid sowie 0 bis 15 Gewichtsprozente Alkalimetalloxid aufweist.
4. Dielektrische Keramikzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 30 Molprozente oder weniger des Elements Zn in der dielektrischen Keramikkomponente durch Nb ersetzt sind.
5. Dielektrische Keramikzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 30 Molprozente oder weniger des Elements Ta in der dielektrischen Keramikkomponente durch Nb ersetzt sind.
6. Keramisches Elektronikbauteil, das eine dielektrische Lage und eine leitende Lage aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Lage eine dielektrische Keramikzusammen­ setzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
7. Keramisches Elektronikbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Lage wenigstens ein leitendes Material aufweist, das gewählt ist aus einem auf Kupfer basierenden Material, einem auf Silber basierenden Material und einem auf Gold basierenden Material.
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