DE10049604A1 - Keramische Zusammensetzung und keramisches Elektronikbauteil - Google Patents

Keramische Zusammensetzung und keramisches Elektronikbauteil

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Abstract

Die Erfindung betrifft, eine dielektrische Keramikzusammensetzung, die eine hohe dilektrische Dielektrizitätskonstante hat, bei einer niedrigen Sintertemperatur sinterbar ist und überragende elektrische und Temperaturkennwerte hat. Die dielektrische Keramikzusammensetzung weist 100 Gewichtsteile eines dielektrischen Keramikbestandteils, der durch die allgemeine Formel Ba{(Co¶x¶Zn¶1-x¶)¶y¶Nb¶1-y¶}¶z¶O¶omega¶ dargestellt ist, in der auf Molbasis 0 < x < 1; 0,313 y < 0,333; 0,993 z < 1 sind und omega eine beliebige Zahl ist; und dazu gemischt 1 bis 15 Gewichtsteile eines auf SiO¶2¶-B¶2¶O¶3¶ beruhenden Glasbestandteils auf.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft dielektrische Keramikzusammen­ setzungen mit hohen Dielektrizitätskonstanten und derartige dielektrische Keramikzusammensetzungen als dielektrische Lagen verwendende keramische Elektronikbauteile.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Seit einiger Zeit wurden beträchtliche Verbesserungen der Leistungsfähikeit elektronischer Bauteile auf dem Elektronikgebiet erreicht. Insbesondere hat man in Informationsverarbeitungsgeräten, wie z. B. Computern, mobilen Kommunikationsterminals und dergleichen, welche die informationsorientierte Gesellschaft eingeleitet haben, höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Miniaturisierung der Geräte, erhöhte Multifunktionalität und dergleichen aktiv vorangebracht. Hoch integrierte und funktionelle Halbleiterbauteile, die mit höheren Verarbeitungsge­ schwindigkeiten ausgestattet sind, z. B. VLSI und ULSI, sind in erster Linie für die Verbesserungen der Informationsverarbeitungsgeräte verantwortlich gewesen. Obwohl die Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit der Halbleitervorrichtungen verbessert wurden, können dennoch auf den Substraten, mit denen die Halbleitervorrichtungen untereinander verbunden sind, Signalverzögerungen, Übersprechen, Impedanzfehlanpassung sowie Störungen wegen Fluktuation der Versorgungsspannungen auftreten und auf diese Weise die Leistung des Systems beschränken, und dies bedeutet, dass in manchen Fällen die potentielle Leistung der Halbleitervorrichtungen nicht ausgeschöpft ist.
Demgemäß wurden als Substrate zur Durchführung einer zuverlässigen Informationsverarbeitung mit hoher Geschwindigkeit sogenannte Mehrchipmodule (MCM) in der Praxis eingesetzt, bei denen mehrere Halbleitervorrichtungen auf einem keramischen Substrat montiert sind. Um die Montagedichte der Halbleitervorrichtungen zu erhöhen und sie zuverlässig elektrisch miteinander zu verbinden, sind keramische Mehrlagensubstrate für die MCMs besonders nützlich, bei denen Leitermuster in Form dreidimensionaler Strukturen angeordnet sind.
Für solche keramischen Mehrlagensubstrate wurde üblicherweise Aluminiumoxid als Isoliermaterial verwendet. Allerdings liegt die Brenntemperatur des Aluminiumoxids nicht unter 1500°C, und als Ergebnis werden Metalle mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Wolfram oder Molybdän, benötigt, so dass die Leiterstrukturen gleichzeitig mit Aluminiumoxid gebrannt werden können. Außerdem oxidieren derartige Metalle, die einen solch hohen Schmelzpunkt haben, sehr leicht und deshalb muss der Brand in einer reduzierenden Atmosphäre ausgeführt werden. Da Metalle mit hohem Schmelzpunkt hohe spezifische Widerstände aufweise, ist ein keramisches Mehrlagensubstrat besonders in den Hochfrequenzkennwerten beschränkt.
Allgemein hat Aluminiumoxid eine verhältnismäßig hohe relative Dielektrizitätskonstante von annähernd 10, so dass in manchen Fällen, wenn Halbleitervorrichtungen mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten, größere Signalverzögerungen auftreten können. Aluminiumoxid hat im Vergleich mit Silicium, das häufig bei Halbleitervorrichtungen verwendet wird einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, und dadurch kann sich in manchen Fällen bei wiederholter Erwärmung und Abkühlung die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtungen verschlechtern.
Demgemäß werden zur Lösung der oben genannten Schwierigkeiten bei niedrigen Temperaturen sinterbare Keramikmaterialien, die eine Zusammensetzung aus einem keramischen Bestandteil und einem Glasbestandteil bilden, mit großem Einsatz erforscht und entwickelt und auf dem Gebiet der keramischen Mehrlagensubstrate praktisch eingesetzt. Das bei niedriger Temperatur sinterbare Keramikmaterial ist ein Material, das als Hauptbestandteil eine keramische Komponente und als Sinterhilfsmittel eine Glaskomponente aufweist. Da dieses Keramikmaterial eine niedrige Sintertemperatur aufweist, können die Freiheitsgrade bei den Materialkennwerten und der Brenntemperaturen beträchtlich erweitert werden. Insbesondere können bei Einsatz des bei niedrigen Temperaturen sinterbaren Keramikmaterials Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. auf Kupfer basierende, auf Silber basierende oder auf Gold basierende Metalle, die jeweils einen niedrigen spezifischen Widerstand haben, gleichzeitig mit dem Keramikmaterial gebrannt werden, und auf diese Weise kann ein keramisches Mehrlagensubstrat mit überragenden Hochfrequenzeigenschaften hergestellt werden.
Vor kurzem hat man Untersuchungen durchgeführt, bei denen passive Bauteile, wie z. B. Kondensatoren und Spulen als Bauteile von auf Substraten zu montierenden Vorrichtungen in ein keramisches Mehrlagensubstrat eingebettet wurden, um so die Baugruppen noch mehr zu verkleinern. Im Falle jedoch die Kennwerte dieser im keramischen Mehrlagensubstrat eingebetteten passiven Bauteile schlechter sind als die Kennwerte der auf der Substratoberfläche montierten Bauteile, verringern sich die Vorteile um die Hälfte. Somit müssen die Kennwerte der in dem Substrat eingebetteten passiven Bauteile denen auf dem Substrat äquivalent oder überlegen sein.
Dementsprechend wird, wenn passive Bauteile in einem keramischen Mehrlagensubstrat eingebettet werden, im allgemeinen ein Substratmaterial sorgfältig so ausgewählt, dass die Kennwerte der passiven Bauteile vollständig ausnutzbar sind. Z. B. bestehen die Teile, in denen Kondensatoren ausgebildet sind, aus dielektrischen Lagen mit hohen Dielektrizitätskonstanten und andere Teile aus Isolierlagen mit hohen Widerständen, so dass kompakte und leistungsfähige keramische Mehrlagensubstrate erzielt werden können.
Als ein für die mit hoher Dielektrizitätskonstanten behafteten dielektrischen Lagen nutzbares Material hat der Anmelder dieser Erfindung in der ungeprüften Japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 8-45347 eine dielektrische Keramikzusammensetzung offenbart, welche durch die allgemeine Formel Ba{(CoxZn1-x)yNb1-y}zOω dargestellt ist, worin auf Molbasis 0 < x < 1; 0,313 ≦ y < 0,333; 0,993 ≦ z < 1 sind und ω eine wählbare Zahl ist. Selbst wenn die dielektrische Keramikzusammensetzung bei einer hohen Temperatur von 1420°C bis 1520°C gebrannt werden muss, lässt sich diese Zusammensetzung in relativ kurzer Zeit brennen und hat überragende elektrische Kennwerte, bei denen der Q-Wert bei annähernd 7 GHz nicht kleiner als 10000 ist.
Allerdings lässt sich diese dielektrische Keramik­ zusammensetzung, die in der oben erwähnten Japanischen ungeprüften Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 8-45347 beschrieben ist, da ihre Sintertemperatur nicht unter 1420°C liegt, nicht gleichzeitig mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. Silber oder Kupfer, brennen. Wenn dieser dielektrischen Keramikzusammensetzung eine Glaskomponente zugegeben wird, um die Brenntemperatur abhängig von der Art und der Menge des zugegebenen Glases zu senken, kann sich die Substratfestigkeit im Vergleich mit der eines Aluminiumoxidsubstrats beträchtlich verringern, oder ihre elektrischen Kennwerte und/oder Temperaturkennwerte sind in manchen Fällen trozt hoher Substratfestigkeit wesentlich verschlechtert.
Insbesondere ist, wenn die Substratfestigkeit wichtig ist, die relative Dielektrizitätskonstante gering, so dass in dem Substrat einzubettende Kondensatoren kaum mit hohen Kapazitäten zu verwirklichen sind. Auch wenn Kondensatoren mit hoher Kapazität eingebettet werden, nehmen die Elektro­ denbereiche dieser Kondensatoren eine große Fläche ein, so dass sich das Substrat nicht verkleinern und die Montagedichte auf der Oberfläche nicht erhöhen lässt. Im Gegensatz dazu ist, wenn die elektrischen Eigenschaften und Temperaturkennwerte als wichtig angesehen werden, die mechanische Festigkeit gering, so dass sich die Zuverlässigkeit des Substrats, wenn es zur Montage von Halbleitern und dergleichen dient, verringert.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend erzielt, wenn man die oben genannten Probleme des Standes der Technik in Betracht zieht, diese Erfindung eine bei niedriger Temperatur sinterbare dielektrische Keramikzusammensetzung, die überragende elektrische und Temperaturkennwerte und eine hohe Dielektrizitätskonstante hat, sowie ein diese dielektrische Keramikzusammensetzung verwendendes keramisches Elektronikbauteil.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ist eine dielektrische Keramikzusammensetzung gekennzeichnet durch:
einen dielektrischen Keramikbestandteil, der durch die allgemeine Formal: Ba{{(CoxZn1-x)yNb1-y}zOω dargestellt ist, in der auf Molbasis 0 < x < 1; 0,313 ≦ y < 0,333; 0,993 ≦ z < 1 sind und ω eine beliebige Zahl ist; und
einen Glasbestandteil, der wenigstens Siliciumoxid und Boroxid aufweist, wobei der dielektrische Keramikbestandteil mit dem Gasbestandteil gemischt ist.
In der dielektrischen Keramikzusammensetzung dieser Erfindung können 1 bis 25 Gewichtsteile des Glasbestandteils mit 100 Gewichtsteilen des dielektrischen Keramikbestandteils gemischt sein.
In der erfindungsgemäßen dielektrischen Keramikzusammensetzung kann der Glasbestandteil 10 bis 60 Gewichtsprozente Siliciumoxid, 5 bis 40 Gewichtsprozente Boroxid, 0 bis 30 Gewichtsprozente Aluminiumoxid, 20 bis 70 Gewichtsprozente von wenigstens einem der Bestandteile Erdalkalimetalloxide und Zinkoxid sowie 0 bis 15 Gewichtsprozente eines Alkalimetalloxids aufweisen.
Die erfindungsgemäße dielektrische Keramikzusammensetzung kann außerdem Zeroxid in einem Verhältnis von 0,5 Gewichtsteilen zu 100 Gewichtsteilen des dielektrischen Keramikbestandteils aufweisen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein keramisches Elektronikbauteil erzielt, das eine dielektrische Lage und eine darauf ausgebildete leitende Lage aufweist, wobei die dielektrische Lage aus der erfindungsgemäßen dielektrischen Keramikzusammensetzung besteht.
In dem keramischen Elektronikbauteil dieser Erfindung weist die leitende Lage wenigstens ein leitendes Material auf, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem auf Kupfer basierenden, einem auf Silber basierenden und einem auf Gold basierenden Leitermaterial besteht.
Da die erfindungsgemäße dielektrische Keramikzusammensetzung aus dem durch die oben beschriebene allgemeine Formel dargestellten dielektrischen Keramikbestandteil und der Glaskomponente (hier nachstehend als die auf SiO2-B2O3 basierende Glaskomponente bezeichnet), die zumindest Siliciumoxid und Boroxid enthält und mit dem dielektrischen Keramikbestandteil vermischt ist, erzielt man eine hohe relative Dielektrizitätskonstante, einen kleinen Temperatur­ koeffizienten der Resonanzfrequenz und einen hohen Q-Wert im hochfrequenten Bereich des dielektrischen Keramikbestand­ teils. Zusätzlich lässt sich die dielektrische Keramik­ zusammensetzung mit den oben beschriebenen überragenden elektrischen und Temperaturkennwerten bei niedriger Temperatur sintern, die nicht über dem Schmelzpunkt eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen keramischen Elektronikbauteil, das die dielektrische Lage mit der darauf angebrachten leitenden Lage hat, kann die dielektrische Lage, da sie aus der dielektrischen Keramikzusammensetzung dieser Erfindung besteht, gleichzeitig mit einem metallischen Leitermaterial mit niedrigem Schmelzpunkt und niedrigem spezifischen Widerstand gebrannt werden, und als Ergebnis lässt sich daraus ein keramisches Elektronikbauteil mit überragenden elektrischen und Temperaturkennwerten, insbesondere überragenden Hochfrequenzkennwerten, herstellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung entsprechenden keramischen Mehrlagensubstrats;
Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung entsprechenden LC-Filters;
Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht des der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung entsprechenden LC- Filters; und
Fig. 4 ist eine Ersatzschaltung des der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung entsprechenden LC-Filters.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In dieser Erfindung sind x, y und z Molverhältnisse eines dielektrischen Keramikbestandteils, der durch die allgemeine Formel Ba{{(CoxZn1-x)yNb1-y}zOω, dargestellt ist, in der auf Molbasis 0 < x < 1; 0,313 ≦ y < 0,333; 0,993 ≦ z < 1 und x + y + z = 1 sind.
Die die oben erwähnten Molverhältnisse aufweisende Keramikzusammensetzung hat zusätzlich zu einer hohen realtiven Dielektrizitätskonstanten und einem kleinen Temperaturkoeffizenten der Resonanzfrequenz einen bemerkenswert hohen Q-Wert im hochfrequenten Bereich sowie überragende elektrische und Temperaturkennwerte.
Wenn x = 0 oder 1 in dem dielektrischen Keramikbestandteil ist, kann er nicht bei 1100°C oder weniger gesintert werden, auch wenn die auf SiO2-B2O3 basierende Glaskomponente hinzugefügt wird,. Selbst wenn der dielektrische Keramikbestandteil gesintert werden kann, ist der Q-Wert der sich ergebenden dielektrischen Keramikzusammensetzung gering. Wenn der Wert y < 0,313 oder y < 0,333 ist, lässt sich die Sinterung bei 1100°C oder darunter auch dann schwierig ausführen, wenn ein auf SiO2-B2O3-basierender Glasbestandteil dem dielektrischen Keramikbestandteil zugesetzt wird, oder der Q-Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung ist signifikant niedrig, auch wenn der dielektrische Keramikbestandteil bei 1100°C oder darunter gesintert werden kann. Außerdem lässt sich das Sintern, wenn z < 0,993 und z ≧ 1 ist, nur schwer bei 1100°C ausführen, auch wenn dem dielektrischen Keramikbestandteil ein auf SiO2-B2O3 basierender Glasbestandteil zugegeben wird, oder der Q-Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung ist signifikant niedrig, selbst wenn der dielektrische Keramikbestandteil bei 1100°C oder darunter gesintert werden kann.
In dieser Erfindung hat der auf SiO2-B2O3-basierende Glasbestandteil primär die Funktion, die Sintertemperatur des dielektrischen Keramikbestandteils zu senken. Wenn die Glaskomponente kein Siliciumoxid und Boroxid enthält, ist die Sinterung bei 1100°C oder darunter nur schwer auszuführen. Außerdem sind auch dann, wenn der dielektrische Keramik­ bestandteil bei 1100°C oder darunter gesintert werden kann, die elektrischen und Temperaturkennwerte signifikant verschlechtert, z. B. ist der Q-Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung niedrig.
In dieser Erfindung wird der auf SiO2-B2O3-basierende Glasbestandteil bevorzugt in einem Verhältnis von 1 bis 25 Gewichtsteilen zu 100 Gewichtsteilen des dielektrischen Keramikbestandteils beigemischt. Wenn die beigemischte Menge des auf SiO2-B2O3 beruhenden Glasbestandteils weniger als 1 Gewichtsteil ist, lässt sich die Sinterung nur schwer bei 1100°C oder weniger durchführen. Umgekehrt neigt der Q-Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung dazu, sich zu verringern, wenn die beigemischte Menge der Glaskomponente mehr als 25 Gewichtsteile beträgt.
Die auf SiO2-B2O3-beruhende Glaskomponente dieser Erfindung weist bevorzugt Verbindungen auf, die nachstehend in Klammern als Oxide angeführt sind, nämlich 10 bis 60 Gewichtsprozente Siliciumoxid (SiO2), 5 bis 40 Gewichtsprozente Boroxid (B2O3), 0 bis 30 Gewichtsprozente Aluminiumoxid (Al2O3), 20 bis 70 Gewichtsprozente Erdalkalioxid und/oder Zinkoxid (ZnO) und 0 bis 15 Gewichtsprozente eines Alkalimetalloxids.
In der Glaskomponente neigen, wenn der Gehalt von SiO2 weniger als 10 Gewichtsprozente ist, die Feuchtefestigkeit und der Q-Wert der sich ergebenden dielektrischen Keramikzusammensetzung dazu, sich zu verringern. Andererseits ist die Erweichtungstemperatur des Glasbestandteils bei der Zugabe der Glaskomponente verschlechtert, wenn der Gehalt von SiO2 über 60 Gewichtsprozente beträgt, wodurch die gleichzeitige Sinterung bei 1000°C oder weniger nur schwer auszuführen ist, bei welcher Temperatur das auf Ag beruhende Leitermaterial gleichzeitig gesintert werden kann.
Wenn der B2O3-Gehalt weniger als 5 Gewichtsprozente ist, ist die Erweichungstemperatur des Glasbestandteils zu hoch, und als Ergebnis sind in manchen Fällen die Sintereigenschaften verschlechtert. Andererseits neigt die Feuchtewiderstands­ fähigkeit der dielektrischen Keramikzusammensetzung dazu, sich zu verringern, wenn der B2O3-Gehalt über 40 Gewichtsprozente ist.
Al2O3 braucht dem dielektrischen Keramikbestandteil überhaupt nicht zugesetzt werden, und wenn dessen Gehalt über 30 Gewichtsprozente ist, stellt sich eine zu hohe Erweichungstemperatur des Glasbestandteils ein und als Ergebnis können sich die Sintereigenschaften verschlechtern.
Wenn der Gehalt eines Erdalkalioxids (MgO, CaO, SrO, BaO und dergleichen) und/oder des Zinkoxids weniger als 20 Gewichtsprozente ist, ist die Erweichungstemperatur des Glasbestandteils zu hoch und als Ergebnis können die Sintereigenschaften in manchen Fällen verschlechtert sein. Andererseits neigen, wenn der Gehalt der Erdalkalioxide und/oder des Zinkoxids mehr als 70 Gewichtsprozente ist, die Feuchteresistenz und der Q-Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung dazu, sich zu verringern.
Um ein Sintern des dielektrischen Keramikbestandteils bei noch niedrigerer Temperatur zu realisieren, ist es wirksam, ein Alkalimetalloxid (Li2O, Na2O, K2O und dergleichen) dem Glasbestandteil zuzugeben. Wenn der Gehalt des Alkali­ metalloxids über 15 Gewichtsprozenten liegt, neigen die Feuchteresistenz und der Q-Wert der dielektrischen Keramikzusammensetzung dazu, sich zu verringern.
In dieser Erfindung sind bevorzugt nicht mehr als 0,5 Gewichtsteile Zeroxid zu 100 Gewichtsteilen des dielektrischen Keramikbestandteils zugegeben. Wenn eine kleine Menge Zeroxid (CeO2) zugegeben ist, wird der Q-Wert verbessert. Wenn jedoch die zu 100 Gewichtsteilen des dielektrischen Keramikbestandteils zugegebene Menge Zeroxid mehr als 0,5 Gewichtsteile ist, neigt der Q-Wert dazu, sich zu verringern.
Bei der oben beschriebenen dielektrischen Keramikzusammen­ setzung kann ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt und geringem spezifischen Widerstand, das verhältnismäßig preiswert ist, wie z. B. ein auf Silber basierendes oder auf Kupfer basierendes Metall gleichzeitig mit der pulverisierten Mischung gesintert werden, da ein aus der Pulvermischung (pulverisierte Glas-Keramik-Mischung) gegossener Körper bei 900°C bis 1100°C gebrannt werden. Außerdem wird eine überragende elektrische Eigenschaften aufweisende dielektrische Keramikzusammensetzung erzielt, in der die relative Dielektrizitätskonstante εr nicht unter ungefähr 30 und der Q-Wert nicht unter annähernd 1000 liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen keramischen Elektronikbauteil besteht die leitende Lage bevorzugt aus wenigstens einem metallischen Material mit niedrigem Schmelzpunkt, auf Kupferbasis (Cu, CuO oder Cu2O und dergleichen), auf Silberbasis (Ag, Ag-Pt, Ag-Pd und dergleichen) oder auf Goldbasis (Au und dergleichen). Jedes der oben genannten metallischen Materialien ist verhältnismäßig preisgünstig erhältlich, hat einen niedrigen spezifischen Widerstand und insbesondere überragende Eigenschaften im hochfrequenten Bereich.
Bei dem erfindungsgemäßen keramischen Elektronikbauteil kann die dielektrische Lage auf einer Isolierlage aufgebracht sein. D. h., dass das keramische Elektronikbauteil der Erfindung bei einem keramischen Mehrlagensubstrat angewendet werden kann, z. B. einem Substrat, bei dem eine dielektrische Lage mit Kondensatoren und dergleichen auf einer Isolierlage liegt (Isoliersubstrat enthalten).
In diesem Fall besteht die Isolierlage bevorzugt aus einer bei niedriger Temperatur sinterbaren Keramikzusammensetzung, die gleichzeitig mit dem oben erwähnten Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gebrannt werden kann. Die eben erwähnte, bei niedriger Temperatur sinterbare Keramikzusammensetzung kann z. B. aus Mg2Al2O4 oder dergleichen bestehen, dem B2O3, MgO, SiO2 und dergleichen zugesetzt ist und kann primär aus MgO, Al2O3 und SiO2 bestehen. Zusätzlich kann die bei niedriger Temperatur sinterbare Keramikzusammensetzung aus einer pulverförmigen Aluminiumoxid-Keramik bestehen, der ein auf CaO-Al2O3-SiO2-basierendes Glas beigegeben ist.
Nun wird das erfindungsgemäße keramische Elektronikbauteil bezogen auf Ausführungsformen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Fig. 1 zeigt, dass ein keramisches Elektronikbauteil dieser Ausführungsform ein keramisches Mehrlagenmodul 1 ist, das als Basis ein keramisches Mehrlagensubstrat 2 und montierte Bauteile 11, 12 und 13, wie z. B. Halbleitervorrichtungen, hat, die auf dem keramischen Mehrlagensubstrat 2 montiert sind. Das keramische Mehrlagensubstrat 2 hat einen Aufbau mit einer aus der dielektrischen Keramikzusammensetzung dieser Erfindung bestehenden dielektrischen Lage 4, die zwischen Isolierlagen 3a und 3b liegt. Kondensatoren C1 und C2, jeweils durch Innenelektroden 8 und 9 gebildet, sind in der aus der dielektrischen Keramikzusammensetzung dieser Erfindung bestehenden dielektrischen Lage 4 eingebettet. Zusätzlich sind interne Verdrahtungen 6 und 7 in den Isolierlagen 3a und 3b gebildet und diese internen Verdrahtungen 6 und 7 verbinden die montierten Bauteile 11 und 13, die Kondensatoren C1 und C2, die Außenanschlüssen und dergleichen elektrisch miteinander.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Mehrlagensubstrats 2 beschrieben.
Als Material für die Isolierlagen 3a und 3b werden z. B. pulverisierte Aluminiumoxidkeramik und pulverisiertes Glas, das primär aus MgO-B2O3-SiO2 besteht, bereitet, und dann werden 20 bis 30 Gewichtsteile des pulverisierten Glases zugegeben und mit 100 Gewichtsteilen der pulverförmigen Aluminiumkeramik vermischt. Dann werden zu der sich ergebenden Pulvermischung geeignete Mengen eines organischen Binders, eines Dispergiermittels, eines Plastifizierers, eines organischen Lösungsmittels und dergleichen zugegeben und vermischt und dadurch ein Brei für die Isolierlage bereitet. Darauffolgend wird der Brei für die Isolierlage mittels eines Rakelverfahrens oder dergleichen ausgestrichen, so dass ein keramisches Grünblatt für die Isolierlage entsteht.
Mittlerweile wird nach der Bereitung der pulverförmigen dielektrischen Keramik als Material für die dielektrische Lage mit hoher Dielektrizitätskonstanten die pulverförmige dielektrische Keramik bei 1000°C nicht kürzer als eine Stunde lang gebrannt. Darauffolgend wird nach Pulverisieren der so gebildeten gebrannten dielektrischen Pulverkeramik eine Glaskeramikmischung bereitet, indem ein auf SiO2-B2O3- basierender Glasbestandteil mit der gebrannten dielektrischen Pulverkeramik vermischt und dieser Glas-Keramikmischung geeignete Mengen eines organischen Trägers, eines Dispergiermittels, eines Plastifizierers, eines organischen Lösungsmittels und dergleichen zugegeben und dann vermischt werden, wodurch ein Brei für die dielektrische Lage bereitet wird. Danach wird der Brei für die dielektrische Lage mittels eines Rakelverfahrens oder dergleichen in Blattform gebracht, so dass ein keramisches Grünblatt für die dielektrische Lage entsteht.
Wenn nötig werden Öffnungen für Durchgangslöcher (vias) in den so erzeugten keramischen Grünblättern für die Isolierlage und den keramischen Grünblättern für die dielektrische Lage gebildet und durch Einfüllen einer leitenden Paste oder eines leitenden Pulvers in die Öffnungen die Vias vervollständigt. Zusätzlich wird leitende Paste auf die Grünblätter der dielektrischen Lagen aufgedruckt, die dann Kondensatoren C1 und C2 bilden. Wenn nötig, werden auf den Grünblättern für die Isolierlage leitende Muster gebildet. Daraufhin werden die Grünblätter für die dielektrische Lage und die für die Isolierlagen laminiert.
Dann werden die so gebildeten laminierten Grünblätter unter Bildung eines Laminatblocks verpresst. Wenn nötig, wird der Laminatblock in eine geeignete Größe geschnitten oder darin eine Rille gebildet. Durch das Brennen des Laminatblocks bei 1000°C oder weniger erhält man das keramische Mehrlagen­ substrat 2, in das die Kondensatoren C1 und C2 und dergleichen eingebettet sind, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.
In diesem Zusammenhang kann die dielektrische Lage 4 durch folgende Schritte gebildet werden: Dispergieren einer Glaskeramikmischung des dielektrischen Keramikbestandteils, dem das auf SiO2-B2O3-Glas untergemischt wurde, in einem organischen Träger, einem organischen Lösungsmittel, einem Plastifizierer oder dergleichen unter Bildung einer Paste und Drucken der sich ergebenden dielektrischen Paste auf Bereiche, an denen die dielektrische Lage gebildet wird. In diesem Fall kann das keramische Mehrlagensubstrat, nachdem die dielektrische Lage gebildet wurde, durch einen Laminiervorgang von Grünblättern, dem ein Press-, Schneide-, Brennvorgang und dergleichen folgen, gebildet werden.
Wie oben beschrieben, wird in dem der Ausführungsform entsprechenden keramischen Mehrlagensubstrat eine Verkleinerung des Substrats erreicht, da die Kondensatoren darin eingebettet sind und die Kondensatoren hoher Kapazität können mitverhältnismäßig kleinen Elektrodenmustern hergestellt werden, da die erfindungsgemäße mit hoher Dielektrizitätskonstanten behaftete dielektrische Lage 4 zwischen den die Kondensatoren bildenden Elektroden vorgesehen ist.
Zusätzlich kann, weil die dielektrische Lage 4 aus der erfindungsgemäßen dielektrischen Keramikzusammensetzung besteht, das keramische Mehrlagensubstrat 2, das überragende elektrische Eigenschaften, Temperaturkennwerte und dergleichen hat, gebildet werden, wobei die wesentliche Rolle die überragenden Eigenschaften des dielektrischen Keramik­ bestandteils spielen, z. B. der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz, die relative Dielektrizitätskonstante, der Q-Wert und dergleichen. In diesem Zusammenhang können, wenn in den Isolierlagen 3a und 3b eine Glaskomponente enthalten ist, deren Zusammensetzung der in der dielektrischen Lage 4 enthaltenen auf SiO2-B2O3 basierenden Glaskomponente äquivalent ist, die Kohäsionseigenschaften zwischen der dielektrischen Lage 4 und den Isolierlagen 3a und 3b weiter verbessert werden.
Zweite Ausführungsform
Wie die Fig. 2 bis 4 zeigen, ist ein keramisches Elektronikbauteil dieser Ausführungsform ein LC-Filter 21, das Spulenmuster 26a, 26b, 26c und 26d und Kondensatormuster 27a, 27b und 27c hat, die in einer aus der dielektrischen Keramikzusammensetzung dieser Erfindung bestehenden dielektrischen Lage 22 gebildet sind.
Das LC-Filter 21 kann z. B. durch folgende Schritte hergestellt werden: Eine pulverförmige Glas-Keramikmischung wird durch Vermischen des dielektrischen Keramikbestandteils mit einer auf SiO2-B2O3 basierenden Glaskomponente bereitet, und ein Brei wird dann durch Zugabe eines organischen Trägers zu der so erzeugten pulverförmigen Glas-Keramikmischung bereitet. Dann wird aus dem so bereiteten Brei ein keramisches Grünblatt in einer Dicke von z. B. 40 µm durch Gießen oder dergleichen gebildet. Danach wird nach dem Trocknen das keramische Grünblatt in eine vorbestimmte Größe geschnitten, so dass Grünblätter 22a bis 22m für die dielektrischen Lagen bereitet werden.
Dann werden, wenn nötig, wie Fig. 2 zeigt, Durchgangskontaktierungen (vias) 28 in den keramischen Grünblättern 22a bis 22m für die dielektrische Lage gebildet und dann mittels Siebdruck einer leitenden Paste die Muster 26a und 26b für eine Spule L1, die Muster 27a bis 27c für einen Kondensator C und die Muster 26c und 26d für die zweite Spule L2 gebildet und schließlich die keramischen Grünblätter 22a bis 22m laminiert und verpresst, wodurch ein Laminatblock erzeugt wird.
Der erzeugte Laminatblock wird dann bei 1000°C oder weniger annähernd zwei Stunden lang gebrannt. Außenelektroden 23a, 23b, 24a und 24b werden auf Kantenflächen des so hergestellten gebrannten Laminatblocks gebildet, wodurch, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, das LC-Filter 21, das den Kondensators und die Spulen L1 und L2 darin eingebettet hat, hergestellt wird. In diesem Zusammenhang hat das LC-Filter 21 das in Fig. 4 gezeigte Ersatzschaltbild.
In dem LC-Filter 21 dieser Ausführungsform ist der Laminatblock 22 unter Verwendung der dielektrischen Keramikzusammensetzung dieser Erfindung gebildet, die einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz, eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen hohen Q-Wert hat. Demgemäß hat das LC-Filter 21 überragende elektrische Eigenschaften und Temperaturkennwerte. Zusätzlich kann auch dann, wenn die Muster für den Kondensator und die für die Spulen aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet werden, z. B. aus einem auf Silber basierenden Metall, ein LC- Filter mit überragenden Hochfrequenzkennwerten hergestellt werden.
Bislang wurde diese Erfindung angewendet bei einem keramischen Mehrlagenmodul und dem LC-Filter beschrieben. Diese Erfindung ist jedoch nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt.
Z. B. kann das keramische Elektronikbauteil dieser Erfindung eine keramische Elektronikvorrichtung mit keramischen Mehrlagensubstraten, die als Substrate für Mehrchipmodule, Hybrid-Ics und dergleichen dienen und die keramische Mehrlagenmodule haben, in denen Montageeinheiten auf dem erwähnten keramischen Mehrlagensubstrat sitzen, ein laminierter Chipkondensator sowie ein keramisches elektronisches Chipbauteil, wie z. B. eine Chipantenne sein.
Beispiele
Nachstehend werden besondere Beispiele dieser Erfindung beschrieben.
Als Ausgangsmaterialien für einen Glasbestandteil werden BaCO3, SrCO3, CaCO3, MgCO3, ZnO, Al2O3, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, K2CO3, SiO2 und B2O3 bereitet und diese Komponenten so gemischt, dass die Mischungen die in den nachstehenden Tabellen 1 und 2 gezeigten Zusammensetzungen haben. Dann werden, nachdem die so erzeugten Gemische der Ausgangsmaterialien bei 1400°C bis 1600°C in einem Pt-Rh-Tiegel geschmolzen wurden, die Gemische zerquetscht und pulverisiert, wodurch Glaspulver entstehen, wie sie durch die Gläser mit den Nummern G1 bis G35 in den Tabellen 1 und 2 dargestellt sind. (Die Werte in den Tabellen 1 und 2 sind in Gewichtsprozenten angegeben)
Tabelle 2
Außerdem werden als Ausgangsstoffe für den dielektrischen Keramikbestandteil BaCO3, ZnO, Co3O4, Nb2O5 und CeO2 bereitet und diese Ausgangsstoffe vermischt, so dass die Mischungen die in den nachstehenden Tabellen 3 bis 5 gezeigten Zusammensetzungen der dielektrischen Keramikbestandteile haben. Dann werden, nachdem die so erzeugten Gemische mit einer Kugelmühle 16 Stunden lang nass vermischt wurden, die Mischungen dehydratisiert und dann getrocknet, woraufhin nach einer zwei Stunden dauernden Wärmebehandlung bei 1000°C die gebrannten Gemische als Ausgangsmaterialien für die dielektrischen Keramikbestandteile bereitet wurden.
Darauffolgend wurden die pulverförmigen Glasbestandteile, die durch die Glasnummern G1 bis G35 dargestellt sind, zu 100 Gewichtsteilen der resultierenden gebrannten Gemische zugegeben, wobei die nachstehenden Tabellen 3 bis 5 die zugegebenen Mengen der pulverförmigen Gläser angeben. Außerdem wurde nach Zusetzen eines organischen Binders, eines Plastifizierers und dergleichen zu den so erzeugten Glas- Keramikmischungen diese Mischungen erneut mittels einer Kugelmühle 16 Stunden lang nass pulverisiert und dadurch Breie für die dielektrischen Keramikzusammensetzungen erzeugt.
Nach Pressen der Breie für die dielektrischen Keramik­ zusammensetzungen bei 2000 kgf/cm2, wodurch man nach dem Brennen Scheiben mit dem Durchmesser 10 mm und der Dicke 5 mm erhielt, wurden die so geformten Scheiben bei den in den Tabellen 6 bis 8 gezeigten Temperaturen zwei Stunden lang gebrannt. Mit diesen Schritten wurden die in den nachstehenden Tabellen 3 bis 5 gezeigten und mit den Probennummern 1 bis 63 angegebenen dielektrischen Keramikzusammensetzungen hergestellt.
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Für die dielektrischen Keramikzusammensetzungen der Probennummern 1 bis 63 wurden mittels einer dielektrischen Resonanzmethode (kurzgeschlossen an beiden Enden eines dielektrischen Resonators), das heißt mit einer Hakki-&- Coleman-Methode, jeweils die relativen Dielektrizitäts­ konstanten (εr) und die Q-Werte bei einer Resonanzfrequenz von annähernd 7 GHz gemessen. Die Messergebnisse für die relativen Dielektrizitätskonstanten und die Q-Werte sind zusammen mit den zugehörigen Sintertemperaturen in den Tabellen 6 bis 8 gezeigt.
Tabelle 6
Tabelle 7
Tabelle 8
Die dielektrischen Keramikzusammensetzungen der Proben Nr. 10 bis 21 und 28 bis 63 wurden durch die allgemeine Formel Ba{(CoxZn1-x)yNb1-y}zOω dargestellt, in der auf Molbasis 0 < x < 1; 0,313 ≦ y < 0,333; 0,993 ≦ z < 1 und x + y + z = 1 sind. Zusätzlich war die der dielektrischen Keramikzusammensetzung zugesetzte Glaskomponente, das auf SiO2-B2O3-basierende Glas. Diese dielektrischen Keramikzusammensetzungen waren bei niedriger Temperatur nicht über 1100°C sinterbar und haben hohe relative Dielektrizitätskonstanten und hohe Q-Werte im hochfrequenten Bereich.
Bei der durch die Probe Nr. 21 repräsentierten dielektrischen Keramikzusammensetzung zeigen die relative Dielektrizitätskonstante und der Q-Wert die Tendenz zur Verringerung, weil die zugesetzte Menge des auf SiO2-B2O3- basierenden Glasbestandteils 25 Gewichtsteile bezogen auf 100 Gewichtsteile des dielektrischen Keramikbestandteils überstieg. Bei der durch die Probe Nr. 17 bezeichneten dielektrischen Keramikzusammensetzung ist es schwierig, die Sinterung bei 1100°C oder weniger zu erreichen und einen dichten Sinterblock zu erzielen, da die zugesetzte Menge des auf dem SiO2-B2O3-basierenden Glasbestandteil weniger als 1 Gewichtsteil war. Genauer ist, wie die Ergebnisse der Proben Nr. 17 bis 21 zeigen, der Gehalt des auf SiO2-B2O3 basierenden Glasbestandteils bevorzugt 1 bis 25 Gewichtsteile bezogen auf 100 Gewichtsteile der dielektrischen Keramikzusammensetzung, um die hohen Dielektrizitätskonstante und den hohen Q-Wert zu erreichen.
Außerdem enthalten die dielektrischen Keramikzusammen­ setzungen der Proben Nr. 22 bis 27 kein SiO2 oder B2O3, und als Ergebnis waren die Sintertemperaturen erhöht oder die Q- Werte der dielektrischen Keramikzusammensetzung beträchtlich verringert.
Hinsichtlich der auf SiO2-B2O3-beruhenden Glaskomponente zeigte in der dielektrischen Keramikzusammensetzung der Probe Nr. 35, die einen SiO2-Gehalt von weniger als 10 Gewichtsprozente aufwies, der Q-Wert dazu, sich zu verringern, zusätzlich zu einer gewissen Verringerung der Feuchteresistenz. Auf der anderen Seite neigte, wenn der SiO2-Gehalt 60 Gewichtsprozente überstieg, die Sintertemperatur dazu, sich zu erhöhen, wie man an der Probe Nr. 38 erkennt.
Außerdem erhöhte sich, da in der SiO2-B2O3-Glaskomponente der dielektrischen Keramikzusammensetzung der Probe Nr. 39 der B2O3-Gehalt weniger als 5 Gewichtsprozente betrug, die Sintertemperatur etwas, und als Ergebnis neigten die Sintereigenschaften dazu, sich zu verschlechtern. Auf der anderen Seite war die Feuchteresistenz in einem gewissen Maß in der dielektrischen Keramikzusammensetzung der Probe Nr. 42 verringert, deren B2O3-Gehalt mehr als 40 Gewichtsprozente betrug.
Wie man aus der dielektrischen Keramikzusammensetzung der Probe Nr. 36 erkennt, braucht die auf SiO2-B2O3-beruhende Glaskomponente überhaupt kein Al2O3 zu enthalten. Anderer­ seits neigten die Sintereigenschaften in der dielektrischen Keramikzusammensetzung der Probe Nr. 35, deren Al2O3-Gehalt 30 Gewichtsprozente überstieg, dazu, sich um ein gewisses Maß zu verschlechtern.
Wenn in der auf SiO2-B2O3 beruhenden Glaskomponente der Gehalt von Erdalkalioxid (MgO, CaO, SrO und BaO) und/oder Zinkoxid (ZnO) weniger als 20 Gewichtsprozent beträgt, neigt die Sintertemperatur dazu, sich um ein gewisses Maß zu erhöhen, wie die dielektrischen Keramikzusammensetzungen der Proben Nr. 50, 56, 58 und 62 deutlich machen. Andererseits verringerte sich in der dielektrischen Keramikzusammensetzung der Probe Nr. 53 und 55, deren Erdalkaligehalt mehr als 70 Gewichtsprozente betrug, die Feuchteresistenz um ein gewisses Maß und der Q-Wert zeigte die Tendenz abzunehmen.
Insbesondere ließ sich die dielektrische Keramikzusammen­ setzung nicht sintern, wenn der Gehalt des Erdalkalioxids und/oder Zinkoxids zu hoch war, wie man aus der Probe mit der Glasnummer G32 erkennt.
Zusätzlich tendierte die Feuchteresistenz in den dielektrischen Keramikzusammensetzungen der Proben Nr. 46 und 48, deren Gehalt an Alkalimetalloxid (Li2O, Na2O und K2O) in der auf SiO2-B2O3 beruhenden Glaskomponente über 15 Gew.-% lag, dazu, bis zu einem gewissen Maß abzunehmen, und der Q- Wert neigte dazu, sich zu verringern.
In dem durch die allgemeine Formel Ba{(CoxZn1-x)yNb1-y}zOω dargestellten dielektrischen Keramikbestandteil konnte die Sinterung bei 1100°C oder weniger nicht ausgeführt werden, wenn der Molenbruch x = 0 oder 1 war, wie bei den dielektrischen Keramikzusammensetzungen der Proben Nr. 1 bis 3, oder der Q-Wert war signifikant verringert, wenn die Sinterung sich bei 1100°C oder weniger ausführen ließ. Wenn auf Molbasis y < 0,313 oder y ≧ 0,333 war, wie in den dielektrischen Keramikzusammensetzungen der Proben Nr. 4 bis 6, konnte die Sinterung bei 1100°C nicht ausgeführt werden oder der Q-Wert war signifikant verringert. Zusätzlich ließ sich, wenn auf Molbasis z < 0,993 oder z = 1 war, wie in den dielektrischen Keramikzusammensetzungen der Proben Nr. 7 bis 9, gleich wie oben, die Sinterung bei 1100°C oder weniger nicht ausführen, oder der Q-Wert war signifikant verringert.
Da die erfindungsgemäße dielektrische Keramikzusammensetzung den dielektrischen Keramikbestandteil, der durch die allgemeine Formel Ba{(CoxZn1-x)yNb1-y}zOω und den dazugemisch­ ten, auf SiO2-B2O3 basierenden Glasbestandteil aufweist, ließen sich eine hohe relative Dielektrizitätskonstante, ein kleiner Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz und ein hoher Q-Wert des dielektrischen Keramikbestandteils im hochfrequenten Bereich erzielen. Außerdem konnte die mit den überragenden elektrischen und Temperaturkennwerten behaftete dielektrische Keramikzusammensetzung der Erfindung bei einer geringen Temperatur gesintert werden, die nicht über dem Schmelzpunkt eines bei niedriger Temperatur schmelzenden Metalls lag.
In dem erfindungsgemäßen elektronischen Bauteil, dass die leitende Lage und die dielektrische Lage hat, besteht die dielektrische Lage aus der dielektrischen Keramikzusammensetzung dieser Erfindung und als Ergebnis kann die dielektrische Lage gleichzeitig mit einem mit einem niedrigen Schmelzpunkt behafteten Metall, das einen geringen spezifischen Widerstand hat, wie z. B. Silber oder Kupfer, gebrannt werden. Demgemäß zeigt das keramische Elektronikbauteil überragende elektrische Eigenschaften und Temperaturkennwerte und besonders überragende Hochfrequenzkennwerte.

Claims (6)

1. Dielektrische Keramikzusammensetzung, gekennzeichnet durch:
  • - einen dielektrischen Keramikbestandteil, der durch die allgemeine Formal: Ba{(CoxZn1-x)yNb1-y}zOω dargestellt ist, in der auf Molbasis 0 < x < 1; 0,313 ≦ y < 0,333; 0,993 ≦ z < 1 sind und ω eine beliebige Zahl ist; und
  • - einen Glasbestandteil, der wenigstens Siliciumoxid und Boroxid aufweist.
2. Dielektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 1 bis 25 Gewichtsteile des Glasbestandteils mit 100 Gewichtsteilen des dielektrischen Keramikbestandteils gemischt sind.
3. Dielektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasbestandteil 10 bis 60 Gewichtsprozente Siliciumoxid, 5 bis 40 Gewichtsprozente Boroxid, 0 bis 30 Gewichtsprozente Aluminiumoxid, 20 bis 70 Gewichtsprozente wenigstens eines der Bestandteile Erdalkalimetalloxide und Zinkoxide und 0 bis 15 Gewichtsprozente eines Alkalimetalloxids aufweist.
4. Dielektrische Keramikzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem Zeroxid in einem Verhältnis von nicht mehr als 0,5 Gewichts­ prozente bezogen auf 100 Gewichtsprozente des dielektrischen Keramikbestandteils aufweist.
5. Keramisches Elektronikbauteil, das eine dielektrische Lage und eine darauf gebildete leitende Lage aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Lage eine dielektri­ sche Keramikzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
6. Keramisches Elektronikbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Lage wenigstens ein leitendes Material aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem auf Kupfer basierenden Leitermaterial, einem auf Silber basierenden Leitermaterial und einem auf Gold basierenden Leitermaterial besteht.
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