DE10120641A1

DE10120641A1 - Keramik mit sehr guten Hochfrequenzeigenschaften

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Publication number: DE10120641A1
Application number: DE10120641A
Authority: DE
Inventors: Yoshitake Terashi; Masahiro Tomisako; Satoshi Hamano; Kazuyoshi Kodama; Katsuhiko Onitsuka
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2021-04-28
Also published as: US6572955B2; DE10120641B4; US20020169063A1

Abstract

Angegeben wird eine Hochfrequenzkeramik mit einem Gehalt an 30 bis 50 Gew.-% einer Kristallphase, die ZnO und Al¶2¶O¶3¶ enthält, 5 bis 15 Gew.-% einer Kristallphase, die SiO¶2¶ und MgO enthält, und 40 bis 60 Gew.-% einer amorphen Phase, die im wesentlichen SiO¶2¶ oder SiO¶2¶ und B¶2¶O¶3¶ enthält, wobei die SiO¶2¶-Kristallphase höchstens 6 Gew.-% beträgt. Die Keramik hat einen dielektrischen Verlust bei 60 GHz von höchstens 15 x 10·-4· und eignet sich sehr gut als isolierendes Substrat für Leiterplatten zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen.

Description

Die Erfindung betrifft Keramiken mit hervorragenden Hoch frequenzeigenschaften (nachfolgend auch "Hochfrequenzkera miken" genannt). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Hochfrequenzkeramiken, die in vorteilhafter Weise für Hoch frequenzleiterplatten und isolierende Substrate verwendet werden. Diese können zusammen mit einem einen niedrigen Widerstand aufweisenden Leiter, wie Kupfer und Silber, ge brannt werden und eignen sich für verschiedene Vorrichtungen zur Übermittlung von Hochfrequenzsignalen von Mikrowellen oder Millimeterwellen, z. B. für Halbleiterelemente enthalt ende Anordnungen, dielektrische Resonatoren, LC-Filter, Kon densatoren, dielektrische Wellenleiter und dielektrische Antennen.

Als keramische Mehrschichtenleiterplatte wurde bisher eine Platte eingesetzt, bei der eine Leiterschicht aus einem hoch schmelzenden Metall, wie Wolfram oder Molybdän, auf der Ober fläche oder im Innern eines isolierenden Substrats aus einem aluminiumhaltigen Sinterprodukt gebildet worden ist. In den letzten Jahren, die eine Zeit der Informationstechnologie wa ren, hat sich das benutzte Frequenzband zu höheren Frequenzen hin verschoben.

Bei solchen Hochfrequenzleiterplatten ist es unter dem Ge sichtspunkt der verlustlosen Übermittlung von Hochfrequenz signalen erforderlich, daß der die Leiterschicht bildende Leiter einen niedrigen Widerstand aufweist und der dielek trische Verlust des isolierenden Substrats im Hochfrequenz bereich klein ist.

Jedoch haben die vorhandenen hochschmelzenden Metalle, wie Wolfram (W) und Molybdän (Mo), hohe Widerstände, übermitteln Signale mit geringen Geschwindigkeiten und machen es schwer, Signale in Hochfrequenzbereichen zu übertragen. In Hoch frequenzleiterplatten, die Hochfrequenzsignale im Millimeter bereich von beispielsweise nicht unter 30 GHz können die ge nannten hochschmelzenden Metalle nicht verwendet werden. Es ist deshalb nötig, ein Metall mit niedrigem Widerstand, wie Kupfer, Silber oder Gold, als Ersatz für die hochschmelzenden Metalle zu benutzen.

Jedoch weisen die Metalle mit einem geringen Widerstand nie drige Schmelzpunkte auf und können nicht zusammen mit den Keramiken, wie Aluminiumoxid, gebrannt werden. Deshalb wurde eine Leiterplatte entwickelt, die als isolierendes Substrat Glaskeramiken benutzt, bei denen es sich um Verbundmate rialien aus einem Glas und Keramiken handelt.

In der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 240135/1985 wird eine Mehrschichtenleiterplatte vorge schlagen, die durch gemeinsames Brennen eines Zinkborsilicat glases, dem Füllstoffe, wie Al₂O₃, Zirconiumoxid und Mullit, zugefügt worden sind, zusammen mit einem Metall mit niedrigem Widerstand gebrannt worden ist. Ferner beschreibt die japa nische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 298919/1993 ein Glaskeramikmaterial, in dem Mullit und Cordierit als Kristallphasen ausgefällt sind.

Andererseits ist in Abhängigkeit von den Anwendungsgebieten die Leiterplatte mit verschiedenen Elektronikteilen sowie den Eingabe/Ausgabe-Endgeräten verbunden. Deshalb wird die Lei terplatte wegen der Belastung, die beim Verbinden ausgeübt wird, oft zerbrochen oder beschädigt. Um solche Nachteile zu verhindern, muß das isolierende Substrat in der Leiterplatte eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen.

Deshalb wurden in der japanischen ungeprüften Patentver öffentlichung (Kokai) Nr. 275963/1998 Keramiken mit einer hervorragenden mechanischen Festigkeit und mit ausge zeichneten Hochfrequenzeigenschaften vorgeschlagen. Die Kera miken enthalten eine Spinellkristallphase, in der ZnO und Al₂O₃, eine SiO₂-Kristallphase und eine Enstatitkristallphase sowie eine amorphe Phase, die im wesentlichen SiO₂ oder SiO₂ und B₂O₃ enthält, vorliegen und die eine hohe mechanische Festigkeit und einen niedrigen dielektrischen Verlust im Hochfrequenzband aufweist und als isolierendes Substrat für eine Hochfrequenzleiterplatte sehr nützlich ist. Man erhält die vorgenannten Keramiken durch Herstellen einer Auf schlämmung, wobei ein organisches Bindemittel zu einem Ge misch der Ausgangsstoffe aus einem ZnO-Pulver und einem Pul ver aus amorphem Siliciumoxid, welches einem Glaspulver zu gefügt wird, das SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ in einem speziellen Verhältnis enthält. Aus dieser Aufschlämmung wird eine grüne Platte gebildet, die dann bei 825 bis 975°C ge brannt wird.

Obwohl die in den japanischen ungeprüften Patentveröffent lichungen (Kokai) Nr. 240135/1985 und Nr. 298919/1993 be schriebenen Glaskeramiken zusammen mit einem Metall mit nie drigem Widerstand, wie Kupfer, Silber oder Gold, gebrannt werden können, weisen sie doch im allgemeinen in einem Hoch frequenzband hohe dielektrische Verluste auf und haben ge ringe mechanische Festigkeiten. Beispielsweise beträgt die Festigkeit der obigen Glaskeramik als gesintertes Produkt etwa 15 kg/mm², was viel niedriger ist als jene des alumi niumhaltigen gesinterten Produkts.

Andererseits ist die mechanische Festigkeit der in der japa nischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 275963/1998 beschriebenen Keramiken zwar groß, jedoch haben diese Keramiken den Nachteil, daß sie bei hohen Tempe raturen expandieren (z. B. liegt ihr thermischer Ausdehnungs koeffizient bei über 8 ppm/°C). D. h., daß die Hochfrequenz elemente mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 bis 8 ppm/°C, z. B. GaAs- und SiGe-Chips, die in Hochfrequenz bändern, wie Bändern von Mikrowellen und Millimeterwellen verwendet werden, einen großen Unterschied in der thermischen Ausdehnung aufweisen. Deshalb entsteht bei einer Leiter platte, die mit einem isolierenden Substrat aus den vorge nannten Keramiken ausgerüstet ist, an der Grenzfläche zwi schen dem Hochfrequenzelement und der Isolierplatte eine thermische Belastung, welche auf die während des Betriebs des Hochfrequenzelementes und zur Zeit seiner Montage entwickelte Wärme zurückzuführen ist, was dann zu Rissen führt. Außerdem befriedigen die obigen Keramiken unter dem Gesichtspunkt des dielektrischen Verlustes in einem Hochfrequenzbereich nicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Hochfrequenz keramiken zur Verfügung zu stellen, die durch Brennen bei Temperaturen von höchstens 1000°C hergestellt werden können, die zusammen mit einem Leiter mit niedrigem Widerstand, wie Gold, Silber oder Kupfer, gebrannt werden können, die eine hohe Festigkeit haben und die sogar in einem Hochfrequenz bereich einen geringen dielektrischen Verlust aufweisen. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung dieser Keramiken angegeben werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit stellung einer Hochfrequenzleiterplatte, die mit einem iso lierenden Substrat aus den vorgenannten Hochfrequenzkeramiken besteht.

Im Vorfeld der Erfindung wurden die in der japanischen unge prüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 275963/1998 vom gleichen Anmelder beschriebenen Keramiken eingehend unter sucht. Es wurde ein neuer Sachverhalt gefunden, nämlich die Tatsache, daß die Keramiken einen großen thermischen Aus dehnungskoeffizienten und einen hohen dielektrischen Verlust in einem Hochfrequenzband (z. B. bei 60 GHz) aufweisen, da SiO₂-Kristalle, z. B. Quarz, in großen Mengen (z. B. in einer Menge von mindestens 10 Gew.-%) ausgefällt sind und daß die Menge der ausgefällten SiO₂-Kristalle von der Menge an Me tallverunreinigungen abhängt, die in dem als Ausgangsmaterial eingesetzten amorphen Siliciumoxid enthalten sind.

Die vorliegende Erfindung stellt Keramiken mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften zur Verfügung. Die Keramiken ent halten SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ in folgenden Mengen:

a) 30 bis 50 Gew.-% einer Kristallphase, in der ZnO und Al₂O₃ enthalten sind;
b) 5 bis 15 Gew.-% einer Kristallphase, in der SiO₂ und MgO enthalten sind, und
c) 40 bis 60 Gew.-% einer amorphen Phase, in der im wesentlichen SiO₂ oder SiO₂ und B₂O₃ enthalten sind,

wobei der Gehalt an einer SiO₂

-Kristallphase auf höchstens 6 Gew.-% begrenzt ist und der dielektrische Verlust bei 60 GHz einen Wert von 15 × 10^-4

nicht übersteigt.

Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen von Keramiken mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften zur Verfügung, das folgende Stufen umfaßt:

a) Herstellen eines Gemisches der Ausgangsstoffe aus 65 bis 85 Gew.-% eines kristallisierten Glases, das SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ enthält, 5 bis 20 Gew.-% ZnO-Pulver und 1 bis 20 Gew.-% eines Pulvers aus amorphem Siliciumoxid, das Verunreinigungen in einer Menge von höchstens 500 ppm, berechnet als Metalle, enthält;
b) Herstellen einer Aufschlämmung unter Zugabe eines orga nischen Bindemittels zu dem genannten Gemisch;
c) Formen der genannten Aufschlämmung; und
d) Entfernen des Bindemittels aus dem erhaltenen Formkörper und nachfolgendes Brennen bei 800 bis 1000°C.

Weiterhin erhält man gemäß der Erfindung eine Hochfrequenz leiterplatte mit einem isolierenden Substrat aus den vorge nannten Keramiken und mit einer Leiterschicht auf der Ober fläche und/oder im Innern des isolierenden Substrats. Damit ist eine Übertragung von Hochfrequenzsignalen von mindestens 1 GHz möglich.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung der Keramiken, die in der japanischen ungeprüften Patentveröffen tlichung (Kokai) Nr. 275963/1998 beschrieben sind. Die er findungsgemäßen Hochfrequenzkeramiken unterscheiden sich von den bekannten Keramiken wesentlich dadurch, daß bei den ersteren der Gehalt an SiO₂-Kristallen auf höchstens 6 Gew.-% begrenzt ist. Dadurch beträgt der dielektrische Verlust bei 60 GHz nur 15 × 10^-4, wie nachfolgend durch Beispiele gezeigt wird, und der thermische Ausdehnungskoeffizient bei Raum temperatur bis 400°C liegt im Bereich von 5 bis 8 ppm/°C, was nahe an jenem von Hochfrequenzelementen, wie GaAs- und SiGe-Chips, liegt. Deshalb können die erfindungsgemäßen Hochfre quenzkeramiken mit hoher Wirksamkeit als isolierende Sub strate für Hochfrequenzleiterplatten eingesetzt werden.

Wie die bekannten Keramiken werden die erfindungsgemäßen Hochfrequenzkeramiken dadurch erhalten, daß man ein Pulver gemisch aus einem kristallisierten Glas, das SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ enthält, einem ZnO-Pulver und einem Pulver aus amorphem Siliciumoxid herstellt. Hierbei beeinflussen verunreinigende Metalle, wie Aluminium, Eisen und Antimon, die in dem Pulver des amorphen Siliciumoxids enthalten sind, sowie Oxide anderer verunreinigender Metalle die Fällung von SiO₂-Kristallen, wie Quarz, wesentlich. D. h., wenn die Mengen der Verunreinigungen in dem pulverförmigen amorphen Silicium oxid groß sind, wird die Kristallisation von amorphem Sili ciumoxid während des Brennens gefördert und es werden große Mengen SiO₂-Kristalle ausgefällt. Die erhaltenen Keramiken weisen einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einen erhöhten dielektrischen Verlust in Hochfrequenzbe reichen auf. Bei der Erfindung trägt der Einsatz von hoch reinem amorphem Siliciumoxid, in dem der Gehalt an Ver unreinigungen auf höchstens 500 ppm, berechnet als Metalle, begrenzt ist, zur Unterdrückung der Kristallisation von amor phem Siliciumoxid während des Brennens bei und ermöglicht die Herstellung von Keramiken, bei denen der Gehalt an SiO₂-Kristallen auf höchstens 6 Gew.-% beschränkt ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Struktur der er findungsgemäßen Hochfrequenzkeramiken;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Querschnitts einer Hochfrequenzleiterplatte, die mit einer dielektrischen Antenne ausgerüstet ist, welche eine Hochfrequenzleiterplatte mit der er findungsgemäßen Hochfrequenzkeramik darstellt;

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Querschnitts einer Hochfrequenzleiterplatte, die mit einer anderen dielektrischen Antenne als jener der Fig. 2 ausgerüstet ist, wobei die Hochfre quenzleiterplatte mit der erfindungsgemäßen Hoch frequenzkeramik ausgestattet ist; und

Fig. 4 einen schematischen Seitenquerschnitt einer An ordnung zum Halten eines Halbleiterelements, wobei es sich um eine andere Hochfrequenzleiterplatte mit einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzkeramik handelt.

Die erfindungsgemäßen Hochfrequenzkeramiken enthalten SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ als notwendige Bestandteile, wobei diese Oxide im Allgemeinen in folgenden Mengen vorliegen:

SiO₂: 30 bis 60 Gew.-%, insbesondere 40 bis 50 Gew.-%;
Al₂O₃: 18 bis 25 Gew.-%, insbesondere 20 bis 25 Gew.-%;
MgO: 5 bis 10 Gew.-%, insbesondere 8 bis 9 Gew.-%;
ZnO: 5 bis 35 Gew.-%, insbesondere 10 bis 20 Gew.-%;
B₂O₃: 5 bis 10 Gew.-%, insbesondere 5,5 bis 7 Gew.-%.

Wie Fig. 1 zeigt, enthält die erfindungsgemäße Keramik ver schiedene Kristallphasen und eine amorphe Phase G. Bei den Kristallphasen ist es nötig, daß eine Kristallphase SP, die ZnO und Al₂O₃ enthält, sowie eine Kristallphase E, die SiO₂ und MgO enthält, ausgefällt worden sind.

Als Kristallphase SP, die ZnO und Al₂O₃ enthält, dienen bei spielsweise Spinellkristallphasen, wie Kristallphasen aus Gahnit ZnAl₂O₄ oder (Zn, Mg)Al₂O₄. Von diesen Kristallphasen ist Gahnit bevorzugt. Erfindungsgemäß liegt die Kristallphase SP in einer Menge von 30 bis 50 Gew.-% vor. Wenn diese Menge unter 30 Gew.-% liegt, werden eine hohe Festigkeit und ein ge ringer dielektrischer Verlust der Keramik nicht erhalten. Wenn andererseits die genannte Menge 50 Gew.-% übersteigt, weist die Keramik einen erhöhten thermischen Ausdehnungsko effizienten auf.

Als Kristallphase E, die SiO₂ und MgO enthält, können beispielsweise Enstatit-Kristallphasen, z. B. Enstatit MgSiO₃, Klinoenstatit und Protoenstatit, sowie eine Forsterit-Kristallphase dienen. Von diesen ist unter dem Gesichtspunkt des geringen dielektrischen Verlustes in einem Hochfrequenzband und der hohen Keramikfestigkeit die Enstatit-Kristallphase bevorzugt. Erfindungsgemäß liegt der Gehalt der Kristallphase E in einem Bereich von 5 bis 15 Gew.-%. Beträgt der Gehalt weniger als 5 Gew.-%, ist die Abnahme des dielektrischen Ver lustes der Keramik nicht ausreichend. Wenn andererseits der Gehalt 15 Gew.-% übersteigt, weist die Keramik einen erhöhten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.

Wie Fig. 1 zeigt, kann bei der Erfindung eine SiO₂-Kristallphase (in Fig. 1 mit Si bezeichnet), wie Quarz oder Cristobalit, ausgefällt werden. Es ist hier jedoch sehr wichtig, daß der Gehalt der Si-Kristallphase 6 Gew.-% nicht übersteigt. D. h., wenn die SiO₂-Kristallphase in einer Menge von über 6 Gew.-% ausfällt, steigt der dielektrische Verlust im Hoch frequenzband, und außerdem erhält die Keramik einen erhöhten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wodurch die Zuverläs sigkeit bei der Montage des Hochfrequenzelements abnimmt. Um die Menge der ausgefällten SiO₂-Kristallphase in den vorge nannten Bereich zu bringen, kann ein amorphes Silicium oxidpulver mit hoher Reinheit verwendet werden, in dem die Menge an verunreinigenden Metallen so weit herabgesetzt worden ist, daß sie einen vorgegebenen Wert nicht über schreitet, wie unten erläutert wird. Spuren von verun reinigenden Metallen (beispielsweise Al, Fe und Sb) in dem hochreinen amorphen Pulver liegen als feste Lösungen in jeder der vorgenannten Kristallphasen, z. B. in der Spinellkris tallphase SP, vor.

Bei der vorliegenden Erfindung wird außerdem eine Willemit-Kristallphase (nicht dargestellt) entsprechend der Formel Zn₂SiO₄ ausgefällt, und zwar in Abhängigkeit von der Zu sammensetzung des kristallisierten Glases, das zum Ausfällen der vorgenannten Kristallphase eingesetzt wird. Hierbei ist es aber unter dem Gesichtspunkt der Abnahme des dielek trischen Verlustes im Hochfrequenzbereich und der Vermin derung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erwünscht, daß die Menge der ausgefällten Willemit-Kristallphase 6 Gew.-% nicht übersteigt.

Zusätzlich zu den vorgenannten verschiedenen Kristallphasen werden noch andere ausgefällt, z. B. eine Kristallphase (nicht dargestellt) der Zusammensetzung Mg₂B₂O₅ und eine Cordierit-Kristallphase (nicht dargestellt). Es ist jedoch erwünscht, daß die Gesamtmenge der ausgefällten anderen Kristallphasen nicht über 3 Gew.-% liegt.

Die amorphe Phase G enthält im wesentlichen SiO₂ oder SiO₂ und B₂O₃ und liegt in einer Menge von 40 bis 60 Gew.-%, vor zugsweise 45 bis 55 Gew. %, vor. Die Anwesenheit der amorphen Phase G ermöglicht die Herabsetzung des dielektrischen Ver lustes der Keramik im Hochfrequenzband und die Herabsetzung der Dielektrizitätskonstante der Keramik. Wenn in der amorphen Phase G Komponenten, wie Al₂O₃, ZnO und MgO (Kompo nenten, die kein SiO₂ und B₂O₃ darstellen), ausgefällt werden, welche in dem zur Fällung der vorgenannten verschie denen Kristallphasen in dem kristallisierten Glas enthalten sind, nimmt der dielektrische Verlust der amorphen Phase G im Hochfrequenzband zu und somit weist dann die Keramik einen erhöhten dielektrischen Verlust im Hochfrequenzband auf. Es ist deshalb erwünscht, daß der Gehalt dieser Komponenten, die kein SiO₂ oder B₂O₃ darstellen, in der amorphen Phase G je weils 50 ppm nicht übersteigt und ihre Gesamtmenge nicht über 100 ppm liegt. Vorzugsweise werden alle diese Komponenten im wesentlichen als Kristallphasen ausgefällt.

Bei der vorgenannten amorphen Phase G ist es unter dem Gesichtspunkt der Abnahme des dielektrischen Verlustes der Keramik erwünscht, daß der Gehalt an B₂O₃ nicht über 100 ppm, vorzugsweise nicht über 50 ppm, liegt. Insbesondere ist es bevorzugt, daß die amorphe Phase G im wesentlichen nur aus SiO₂ besteht. D. h., B₂O₃ ist in dem als Ausgangsmaterial ein gesetzten kristallisierten Glas enthalten, und es ist er wünscht, daß es während des Brennens als Mg₂B₂O₅ kristal lisiert oder daß es als feste Lösung in den vorgenannten ver schiedenen Kristallphasen, insbesondere in der Enstatit-Kristallphase E, vorliegt.

Die erfindungsgemäßen Hochfrequenzkeramiken, welche die vor genannten Hauptkristallphasen und die amorphe Kristallphase enthalten, haben nicht nur eine hohe Festigkeit, sondern zei gen auch eine Dielektrizitätskonstante von nicht über 6, einen dielektrischen Verlust (tan δ) bei 15 GHz von nur 10^-3 oder weniger, einen dielektrischen Verlust (tan δ) bei 60 GHz von 15 × 10^-4 oder weniger, insbesondere von 10^-3 oder we niger, und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Be reich von 5 bis 8 ppm/°C bei Raumtemperatur bis 400°C, der sehr nahe am thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Halb leiterelements, wie eines GaAs-Chips oder eines ähnlichen Chips, liegt. Deshalb sind die erfindungsgemäßen Hochfre quenzkeramiken als isolierende Substrate für eine Hochfre quenzleiterplatte sehr wertvoll.

Ferner können die Hochfrequenzkeramiken der Erfindung eine Co-Komponente in einer Menge von 0,05 bis 5 Gew.-%, insbe sondere von 0,1 bis 2, 0 Gew.-%, berechnet als CoO, zusätzlich zu den vorgenannten Komponenten enthalten. Die Co-haltigen Keramiken sind für Leiterplatten, die mit einer Cu-Leiter schicht versehen sind, sehr nützlich.

Als Leiter mit niedrigem Widerstand zur Herstellung der Leiterschichten können beispielsweise Cu, Ag und Au einge setzt werden. Aus Kostengründen werden normalerweise jedoch Cu und Ag verwendet. Die Ag-Leiterschicht kann durch Brennen an der freien Luft hergestellt werden, und außerdem braucht die Oberfläche nicht mit einer Schicht plattiert zu werden. Dies bringt einen Kostenvorteil mit sich. Jedoch bleiben die Probleme bezüglich des Wanderns auf den Oberflächen der Lei tungsschichten und der Benetzbarkeit des Lötmittels. Deshalb wird eine Cu-Leiterschicht, welche diese Schwierigkeiten nicht aufweist, am häufigsten eingesetzt. Jedoch muß die Cu-Leiterschicht mit einer Schicht aus Ni-Au oder Cu-Au an ihrer Oberfläche plattiert werden, um eine Oxidation zu verhindern. Wenn jedoch das isolierende Substrat in der Leiterplatte aus den gut bekannten Keramiken besteht, haftet Au an der Ober fläche des isolierenden Substrats zur Zeit des Plattierens der Schicht auf die Oberfläche der Cu-Leiterplatte und verur sacht eine Verfärbung sowie einen Abfall in der Isolier eigenschaft zwischen den Leiterschichten.

Die vorgenannten Keramiken, die eine Co-Komponente enthalten, haben den Vorteil, daß sie das Haften von Au zum Zeitpunkt des Plattierens der Schicht wirksam verhindern. In diesem Fall kann der dielektrische Verlust zunehmen, wenn der Co-Gehalt steigt. Wenn der Co-Gehalt abnimmt, tritt die Wirkung der Verhinderung des Anhaftens von Au nicht in ausreichendem Maße ein. Deshalb ist es bevorzugt, daß der Co-Gehalt inner halb des vorgenannten Bereichs liegt.

Die Co-Komponente liegt in Form von CoO in verschiedenen Kristallphasen und in der amorphen Phase in der Keramik vor. Insbesondere stimmt die Verteilung von Zn mit der Verteilung von Co in den Keramiken gut überein. Daraus wird geschlossen, daß das Anhaften von Au wirksam verhindert wird, weil Zn in der Kristallphase teilweise durch Co ersetzt ist. Ferner ist es erwünscht, daß die Co-Komponente in der Kristallphase SP, die ZnO und Al₂O₃ enthält, und in der amorphen Phase G vorliegt.

Es ist auch bevorzugt, daß die Co-Komponente in den Keramiken homogen verteilt ist. Wenn die Co-Komponente in den Keramiken teilweise aggregiert und nicht homogen verteilt ist, kann die Aggregation der Co-Komponente den dielektrischen Verlust er höhen und ferner beim Brennen höckerartige Defekte verur sachen. Die Keramiken, in denen die Co-Komponente homogen verteilt ist, zeigen eine helle Farbe und ergeben die fol gende Farbposition, wenn sie beispielsweise mit einem L*a*b-Farbanzeigesystem

Helligkeit L* < 80

Farbstärke C* = {(a*)² + (b*)²}^1/2 < 20

untersucht werden.

Ausgangsmaterial in Pulverform

Als pulverförmiges Ausgangsmaterial, das zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochfrequenzkeramiken verwendet wird, dient ein Gemisch aus einem Pulver eines kristallisierten Glases, ZnO-Pulver und einem Pulver aus amorphem Siliciumoxid (aus geschmolzenem Siliciumoxid).

Um die vorgenannten verschiedenen Kristallphasen auszufällen, enthält das pulverförmige kristallisierte Glas SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃. Damit die amorphe Phase in den Keramiken im wesentlichen SiO₂ oder SiO₂ und B₂O₃ enthält und der Rest kristallisiert ist, ist für das Glaspulver die folgende Zu sammensetzung bevorzugt:

SiO₂: 40 bis 52 Gew.-%, insbesondere 45 bis 50 Gew.-%
Al₂O₃: 14 bis 32 Gew.-%, insbesondere 25 bis 30 Gew.-%
MgO: 4 bis 15 Gew.-%, insbesondere 9 bis 13 Gew.-%
ZnO: 6 bis 16 Gew.-%, insbesondere 6 bis 10 Gew.-%
B₂O₃: 5 bis 15 Gew.-%, insbesondere 7 bis 11 Gew.-%.

Es ist bevorzugt, daß das Pulver des kristallisierten Glases einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 1 bis 10 µm, insbesondere von 1,5 bis 4 µm, und das ZnO-Pulver einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 0,5 bis 5 µm, ins besondere von 0,8 bis 2,5 µm, aufweisen.

Das pulverförmige amorphe Siliciumoxid (aus geschmolzenem Siliciumoxid) weist eine sehr hohe Reinheit auf. Die Gesamt menge an verunreinigenden Metallen, wie Aluminium, Eisen und Antimon, in dem als Ausgangsstoff eingesetzten Natriumsilicat enthalten ist oder die in der Stufe des Herstellens des amor phen Siliciumoxids eingeschleppte Menge dieser Verunreinigungen wurde auf höchstens 500 ppm, berechnet als Metalle, begrenzt. Durch Einsatz eines so hochreinen pulver förmigen amorphen Siliciumoxids wird die Kristallisation des amorphen Siliciumoxids während des Brennens wirksam unter drückt, die Menge der ausgefällten SiO₂-Kristallphase wird in den obengenannten Bereich gebracht, und der dielektrische Ver lust im Hochfrequenzbereich kann vermindert werden. Da die Menge der ausgefällten SiO₂-Kristallphase herabgesetzt wird, liegt außerdem der thermische Ausdehnungskoeffizient der er haltenen Keramik im Bereich von 5 bis 8 ppm/°C bei Raum temperatur bis 400°C, was sehr nahe am thermischen Aus dehnungskoeffizienten eines Halbleiters, z. B. eines GaAs-Chips, liegt.

Vorzugsweise wird ein pulverförmiges amorphes Siliciumoxid mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser im Bereich von 1,2 bis 6 µm, insbesondere von 1,5 bis 3,5 µm, eingesetzt, wobei der Gehalt an Teilchen mit einem Korndurchmesser von mindestens 2 µm nicht unter 15 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 15 bis 30 Gew.-%, liegt. Unter dem Gesichtspunkt, daß der Gehalt der Kristallphasen in den Keramiken auf ein vorge gebenes Verhältnis eingestellt werden soll und daß die amorphe Phase nur aus SiO₂ oder nur aus SiO₂ und B₂O₃ bestehen soll, ist der Einsatz von pulverförmigem amorphem Siliciumoxid mit der obengenannten Korndurchmesserverteilung bevorzugt.

Erfindungsgemäß wird ferner das Mischungsverhältnis des pulverförmigen kristallisierten Glases, des ZnO-Pulvers und des Pulvers des amorphen Siliciumoxids derart eingestellt, daß die Menge des pulverförmigen kristallisierten Glases in dem Pulvergemisch 65 bis 85 Gew.-%, die Menge des ZnO-Pulvers 5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 7 bis 15 Gew.-%, und die Menge des pulverförmigen amorphen Siliciumoxids 3 bis 20 Gew.-%, vor zugsweise 10 bis 20 Gew.-%, beträgt. Durch Mischen der Pulver in einem derartigen Verhältnis können die Mengen der aus gefällten Kristallphasen so eingestellt werden, daß sie innerhalb der vorgenannten Bereiche liegen.

Zum Herstellen der vorgenannten erfindungsgemäßen Co-haltigen Keramiken wird das vorgenannte Pulvergemisch ferner mit CoO- oder Co₃O₄-Pulver in einer Menge von 0,05 bis 5 Gew.-%, vor zugsweise 0,1 bis 2,0 Gew.-%, berechnet als CoO, gemischt. Um das Co in den Keramiken homogen zu dispergieren, ist es in diesem Fall erwünscht, ein Co₃O₄-Pulver mit einer spezi fischen Oberfläche (BET) von nicht unter 10 m²/g einzusetzen. Co₃O₄ setzt beim Erhitzen Sauerstoff frei und wird in CoO überführt, wobei auf Grund des freiwerdenden Sauerstoffs die Beseitigung des Bindemittels gefördert wird. Unter dem Gesichtspunkt einer wirksamen Entfernung des Bindemittels und der Verringerung der Menge an restlichem Kohlenstoff in den Keramiken ist es deshalb vorteilhaft, das Co₃O₄-Pulver einzu setzen.

Herstellen und Formen der Aufschlämmung

Dem vorgenannten Pulvergemisch wird ein organisches Binde mittel, wie Polyvinylalkohol oder ein Methacrylatharz, zuge setzt. Ferner werden nach Bedarf ein Weichmacher, wie Dibu tylphthalat oder Dioctylphthalat, und ein organisches Lö sungsmittel, wie Toluol, Ethylacetat oder Isopropanol, in geeigneten Mengen hinzugefügt, um eine Aufschlämmung zum Formen zu bilden.

Unter Einsatz dieser vorgenannten Aufschlämmung wird ein Formkörper mit einer Gestalt, welche den Bedürfnissen ent spricht, nach einem bekannten Formungsverfahren, z. B. durch ein Rakelverfahren, ein Kalanderwalzenverfahren, ein Walzen verfahren oder ein Druckformverfahren, gefolgt vom Entfernen des Bindemittels und der Brennstufe, erhalten.

Wenn eine Hochfrequenzleiterplatte hergestellt werden soll, wird ein plattenartiger Formkörper (eine grüne Platte) mit einer vorgegebenen Dicke hergestellt. Nach Bedarf werden in der grünen Platte Durchgangslöcher erzeugt und mit einer Metallpaste gefüllt, die mindestens eines der Metalle Kupfer, Silber und Gold enthält. Ferner wird mittels eines bekannten Druckverfahrens, z. B. mittels des Siebdruck- oder des Tief druckverfahrens, auf die Oberfläche der grünen Platte die vorgenannte Metallpaste aufgedruckt, um ein Hochfrequenz leitungsmuster auszubilden, das Hochfrequenzsignale über tragen kann, wobei eine Leiterschichtdicke von 5 bis 30 µm eingehalten wird.

Anschließend wird eine Mehrzahl von grünen Platten laminiert, und die Platten werden mit ihren Durchgangslöchern und Lei termustern in der richtigen Stellung miteinander verbunden. Die laminierte Gesamtplatte wird dem Entfernen des Binde mittels und dem Brennen unterworfen.

Entfernen des Bindemittels

Das Bindemittel wird durch Wärmebehandlung in einer wasser dampfhaltigen Atmosphäre entfernt. Bei dieser Behandlung in einer solchen Atmosphäre reagiert Kohlenstoff, der nach der thermischen Zersetzung des Bindemittels zurückbleibt, mit dem Wasserdampf und erlaubt es, das Bindemittel wirksam zu ent fernen. Wie oben beschrieben, wird dann, wenn das Co₃O₄-Pulver eingesetzt wird, die Entfernung des Bindemittels durch Sauerstoff, der beim Umwandeln von Co₃O₄ in CoO freigesetzt wird, gefördert. Wenn man die Cu-Leiterschicht durch gemein sames Brennen ausbildet, wird das Bindemittel in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre (z. B. in einer Stickstoffatmosphäre), die Wasserdampf enthält, entfernt, um eine Oxidation von Cu zu verhindern.

Es ist bevorzugt, das Bindemittel derart zu entfernen, daß die Menge des restlichen Kohlenstoffs nicht über 100 ppm, insbesondere nicht über 80 ppm, liegt. Wenn der Kohlenstoff in großen Mengen zurückbleibt, nimmt die Dichte der Keramik ab, der dielektrische Verlust steigt an, und die Isolier eigenschaft wird geringer. Ferner können beim Brennen höcker artige Defekte an der Keramikoberfläche auftreten. Insbeson dere beeinträchtigen dann, wenn die Leiterplatte mit einem isolierenden Substrat, das die vorgenannte Keramik enthält, durch gemeinsames Brennen mit der Leiterschicht aus dem Leiter mit einem niedrigen Widerstand hergestellt werden soll, höckerartige Defekte an der Oberfläche der Schicht dieses Leiters die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem externen Element in merklichem Aus maß. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Menge des restlichen Kohlenstoffs so eingestellt, daß sie innerhalb des vorgenannten Bereiches liegt, wodurch diese Nachteile ver mieden werden.

Um die Menge des restlichen Kohlenstoffs innerhalb des vor genannten erfindungsgemäßen Bereichs zu halten, ist es bevorzugt, das Bindemittel durch Wärmebehandlung in zwei Stu fen zu entfernen, nämlich bei beispielsweise 650 bis 710°C und bei 720 bis 770°C. Insbesondere wird die Wärmebehandlung bei 650 bis 700°C während mehr als einer Stunde und dann bei 720 bis 770°C während mehr als einer Stunde durchgeführt, um die Menge des restlichen Kohlenstoffs in den vorgenannten Bereich zu bringen.

Brennen

Nachdem das Bindemittel entfernt worden ist, erfolgt das Brennen in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, z. B. in einer Stickstoffatmosphäre, oder in einer oxidierenden Atmosphäre, wie freier Luft. Wenn die Cu-Leiterschicht durch gemeinsames Brennen ausgebildet werden soll, geschieht das Brennen jedoch in der nicht-oxidierenden Atmosphäre, um eine Oxidation von Cu zu vermeiden.

Das Brennen wird in der vorgenannten Atmosphäre bei 800 bis 1000°C, vorzugsweise bei 875 bis 1000°C, während mehr als 0,5 Stunden durchgeführt, um dadurch erfindungsgemäße Hochfre quenzkeramiken zu erhalten, welche dicht sind und die vorge nannten verschiedenen Kristallphasen sowie die amorphe Phase enthalten. Durch Verwendung der Hochfrequenzkeramiken als isolierendes Substrat gelangt man zu einer Hochfrequenz leiterplatte.

Nach dem Brennen wird unter Einsatz einer Cu-Paste als Metallpaste die Leiterplatte mit der Cu-Leiterschicht einem nicht-elektrolytischen Ni-Au-Plattieren oder einem nicht-elektrolytischen Cu-Au-Plattieren unterworfen, um auf der Cu-Leiterschicht an der Substratoberfläche eine plattierte Schicht zu bilden. Wenn das isolierende Substrat aus Hoch frequenzkeramiken hergestellt wird, welche die Co-Komponente enthalten, wird ein Haften von Au an der Oberfläche des isolierenden Substrats wirksam unterdrückt.

Bei Bedarf wird ferner auf der Oberfläche des so gebildeten Leitersubstrats eine Hochfrequenzvorrichtung, z. B. aus Si, GaAs oder SiGe, angebracht und mit der auf der Leiterplatte hergestellten Leiterschicht verbunden, um damit Hochfrequenz signale zu übertragen. Beispielsweise kann die Hochfrequenz vorrichtung direkt auf der Oberfläche der Leiterschicht mit Hilfe eines Lötmittels aufgebracht werden, oder es kann die Hochfrequenzvorrichtung mittels einer Drahtverbindung oder eines TAB-Bands (tape automated bonding) verbunden werden.

Auf der Oberfläche des Leitersubstrats, an dem die Hochfre quenzvorrichtung angebracht ist, kann ferner bei Bedarf mit Hilfe eines Klebstoffs, z. B. eines Glas-, Harz- oder Hartlöt materials, eine Kappe aus einem Isoliermaterial angeordnet werden, welches gleich dem Material des isolierenden Sub strats ist oder das aus einem anderen isolierenden Material besteht oder das aus einem Metall mit einer guten Wärme strahlungseigenschaft hergestellt ist, um das Hochfrequenz element luftdicht zu abzuschließen und dadurch ein Hochfre quenzhalbleitermodul herzustellen.

Aufbau der Hochfrequenzleiterplatte

Die Hochfrequenzleiterplatte, welche mit dem isolierenden Substrat ausgerüstet ist, das aus den vorgenannten Hochfre quenzkeramiken besteht, kann einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen.

Gemäß Fig. 2, die eine schematische perspektivische Ansicht zeigt, welche einen Querschnitt der Hochfrequenzleiterplatte erläutert, besteht ein isolierendes Substrat 1 mit einer vor gegebenen Dicke A aus drei isolierenden Schichten 1a, 1b, 1c. Ferner sind zwei Leiterschichten 2, 3 zum Halten des isolier enden Substrats 1 ausgebildet.

Das isolierende Substrat 1 weist viele darin ausgebildete Durchgangslöcher 4 auf, die sich in Richtung der Dicke des Substrats erstrecken. Die elektrisch leitenden Schichten 2, 3 sind über diese Durchgangslöcher 4 elektrisch miteinander verbunden.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Durchgangslöcher 4 in zwei Reihen angeordnet, die einen vorgegebenen Abstand B aufweisen. Die Durchgangslöcher 4 in jeder Reihe haben voneinander einen vorgegebenen Abstand C, und die Reihen der Durchgangslöcher 4 erstrecken sich in der Richtung, in der die Signale über tragen werden (in der Richtung, in der die Leitungen ausge bildet sind). D. h., der diese Durchgangslöcher 4 umgebende Raum und die elektrisch leitenden Schichten 2, 3 dienen als eine Leitung 6 eines dielektrischen Wellenleiters.

Bezüglich der Dicke A des isolierenden Substrats besteht keine besondere Beschränkung. Wenn jedoch Hochfrequenzsignale eines einzigen Modus verwendet werden, wird die Dicke auf der Grundlage des Abstands B zwischen den Reihen der Durchgangs löcher 4 festgelegt, d. h., sie wird so festgelegt, daß sie etwa B/2 oder etwa 2B beträgt.

Der Abstand C zwischen den Durchgangslöchern 4 in jeder Reihe wird kleiner gewählt als die Wellenlänge λc (Grenzwellen länge) der Signale, die übertragen werden, wodurch eine elek trische Wand ausgebildet wird. Deshalb werden die Signale zwischen den zwei Reihen der Durchgangslöcher 4 begrenzt. Die TEM-Wellen können sich zwischen den beiden parallel angeord neten elektrisch leitenden Schichten 2, 3 ausbreiten. Deshalb breiten sich dann, wenn der Abstand zwischen den Durchgangs löchern 4 größer ist als die Grenzwellenlänge λc, die zuge führten elektromagnetischen Wellen nicht dort hindurch aus. Wenn der Abstand C zwischen den Durchgangslöchern kürzer ist als die Grenzwellenlänge λc, werden die elektromagnetischen Wellen in einer Richtung senkrecht zur Leitung 6 abge schnitten, breiten sich aber unter Reflexion innerhalb der Leitung 6 des dielektrischen Wellenleiters aus, die von den elektrisch leitenden Schichten 2, 3 und den Durchgangslöchern 4 umgeben ist.

Gemäß Fig. 2 sind ferner elektrisch leitende Schichten 5 in einem Bereich ausgebildet, wo eine Reihe von Durchgangs löchern zwischen den isolierenden Schichten 1a, 1b, 1c ausge bildet ist, um die Wirkung des Abschneidens der elektromagne tischen Wellen zu intensivieren.

Weiterhin ist gemäß Fig. 2 ein Schlitz 7 in der elektrisch leitenden Schicht 2 vorhanden, die eine Oberfläche der Lei tung 6 des elektrischen Wellenleiters bildet. Die durch die Leitung 6 des dielektrischen Wellenleiters hindurch übertra genen Hochfrequenzsignale werden durch den Schlitz 7 ausge sandt. Deshalb arbeitet die Leitung 6 des dielektrischen Wellenleiters als Wellenleiterantenne.

Gemäß Fig. 3 kann noch eine Verbindung zu einer anderen Leitung 8 eines dielektrischen Wellenleiters derart bestehen, daß der in der Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht 2 ausgebildete Schlitz (nicht dargestellt) davon umgeben wird. In den Beispielen gemäß den Fig. 2 und 3 können ferner (nicht dargestellte) Durchgangslochleiter vorgesehen sein, welche durch den Schlitz hindurchgeführt sind, um den Schlitz 7 zur Außenseite der Leitung 6 des dielektrischen Wellenleiters hin zu verlängern, um die Hochfrequenzsignale herauszuführen.

Es ist auch möglich, an der Oberfläche des isolierenden Sub strats 1 und insbesondere an der rückseitigen Oberfläche, an welcher der Schlitz 7 ausgebildet ist, ein (nicht darge stelltes) Hochfrequenzelement anzubringen.

Wie bereits beschrieben, weisen die Hochfrequenzkeramiken der vorliegenden Erfindung einen dielektrischen Verlust bei 15 GHz von höchstens 10^-3 und bei 60 GHz von höchstens 15 × 10^-4 auf. D. h., der dielektrische Verlust im Hochfrequenzband ist sehr klein. Deshalb wird in der vorgenannten Leiterplatte das isolierende Substrat 1 aus den oben erwähnten Hochfrequenz keramiken hergestellt, so daß die Hochfrequenzsignale ohne Dämpfung durch die Leitung 6 des dielektrischen Wellenleiters hindurch übertragen werden können.

Ferner weisen die Hochfrequenzkeramiken der Erfindung eine Dielektrizitätskonstante von höchstens 6 auf. Auch in dieser Hinsicht hat die Leiterplatte, welche mit dem isolierenden Substrat 1 ausgerüstet ist, das aus den Hochfrequenzkeramiken besteht, hervorragende Eigenschaften bezüglich der Übertra gung von Hochfrequenzsignalen.

Die erfindungsgemäßen Hochfrequenzkeramiken haben einen ther mischen Ausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur bis 400°C von 5 bis 8 ppm/°C, was nahe am thermischen Ausdehnungs koeffizienten des Halbleiterelements liegt. Deshalb ist die Leiterplatte, welche mit dem isolierenden Substrat 1 ausge rüstet ist, das aus den Hochfrequenzkeramiken besteht, für Anwendungen, bei denen Hochfrequenzelemente benutzt werden, sehr nützlich.

Fig. 4 ist ein schematischer Seitenquerschnitt, der eine Hochfrequenzanordnung erläutert, die ein bevorzugtes Beispiel einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzleiterplatte darstellt.

Gemäß Fig. 4 weist eine Anordnung 20 ein isolierendes Sub strat 21 aus erfindungsgemäßen Hochfrequenzkeramiken auf. In der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 21 ist ein Hohlraum 23 ausgebildet, der durch einen Verschluß 22 ver schlossen ist. In dem Hohlraum 23 ist ein Hochfrequenzelement 24, z. B. aus Si, SiGe oder GaAs, angebracht. Vorzugsweise besteht der Verschluß 22 aus einem Material, das den Austritt von elektromagnetischen Wellen zwischen dem Hochfrequenz element 24 und der Außenseite verhindern kann.

An der Oberfläche des isolierenden Substrats 21 ist eine Leiterschicht 25 ausgebildet, die mit dem Hochfrequenzelement 24 elektrisch verbunden ist.

Um Hochfrequenzsignale von nicht unter 1 GHz, vorzugsweise von nicht unter 15 GHz, insbesondere von nicht unter 50 GHz, ganz bevorzugt von nicht unter 70 GHz, durch die Leiterschicht 25 gemäß der Erfindung zu übertragen, weist diese Leiterschicht eine Gestalt auf, die mindestens eine Streifenleitung, eine Mikrostreifenleitung, eine coplanare Leitung oder eine Leitung eines dielektrischen Wellenleiters darstellt. Dies ermöglicht eine Herabsetzung des Übertra gungsverlustes von Hochfrequenzsignalen. Um den Übertra gungsverlust von Hochfrequenzsignalen zu vermindern, ist es ferner bevorzugt, daß die Leiterschicht 25 mindestens eines der Metalle mit niedrigem Widerstand in Form von Kupfer, Silber oder Gold und insbesondere eines dieser Metalle als Hauptkomponente enthält.

Bei der Anordnung 20 gemäß Fig. 4 ist eine Mikrostreifen leitung 27 aus der Leiterschicht 25 und einer Erdungsschicht 26 ausgebildet. Ferner liegt an der rückseitigen Oberfläche des isolierenden Substrats 21 eine Leiterschicht 28 vor, die mit einer externen Platine verbunden ist und zusammen mit einer Erdungsschicht 26 eine Mikrostreifenleitung 29 bildet. Die Leiterschichten 25 und 28 weisen Enden auf, die durch einen Schlitz 30 hindurch einander gegenüberliegen, der in der Erdungsschicht 26 vorliegt, so daß sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, und es werden Signale mit einem geringen Verlust zwischen der Mikrostreifenleitung 27 und der Mikrostreifenleitung 29 übertragen.

Bei der vorliegenden Erfindung ist der Aufbau der Leiter schicht nicht auf den obigen Aufbau mit elektromagnetischer Koppelung beschränkt. Er kann auch in einer Form ausgebildet sein, bei der die vorgenannte Leitung des dielektrischen Wellenleiters am Ende der in Fig. 4 gezeigten Mikrostreifenleitung 27 auflaminiert und angeordnet ist sowie die Leitung des dielektrischen Wellenleiters und die Mikrostreifenleitung 27 durch einen Durchgangslochleiter hindurch miteinander verbunden sind, der durch den in der Erdungsschicht 26 gebildeten Schlitz 30 hindurchgeführt ist. Ferner ist bei der Anordnung 20 gemäß Fig. 4 das Hochfre quenzelement 24 durch das isolierende Substrat 21 und den Verschluß 22 luftdicht abgeschlossen. Jedoch ist die Er findung in keiner Weise darauf beschränkt, sondern kann auch in einer Form ausgebildet sein, bei der die Hochfrequenz vorrichtung 24 dadurch abgeschlossen ist, daß sie ohne Her stellen des Verschlusses 22 mit einem Harz geformt worden ist.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Es werden vier kristallisierte Gläser mit den folgenden Zusammensetzungen hergestellt.

Glas A: 44 Gew.-% SiO₂, 29 Gew.-% Al₂O₃, 11 Gew.-% MgO, 7 Gew.-% ZnO, 9 Gew.-% B₂O₃.
Glas B: 50 Gew.-% SiO₂, 15 Gew.-% Al₂O₃, 9 Gew.-% MgO, 18 Gew.-% ZnO, 8 Gew.-% B₂O₃.
Glas C: 10,4 Gew.-% SiO₂, 2,5 Gew.-% Al₂O₃, 45,3 Gew.-% B₂O₃, 35,2 Gew.-% ZnO, 6,6 Gew.-% Na₂O.
Glas D: 14,2 Gew.-% SiO₂, 24,5 Gew.-% Al₂O₃, 22,6 Gew.-% B₂O₃, 14,2 Gew.-% CaO, 12,8 Gew.-% Li₂O, 11,7 Gew.-% Na₂O.

Das ZnO-Pulver mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 1 µm und amorphe Siliciumoxidpulver mit Korngrößen verteilungen, wie sie in der Tabelle I angegeben sind, wurden als kristallisierte Glaspulver eingesetzt und so zusammen gemischt, daß die Keramiken nach dem Brennen die in der Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen aufwiesen. Die Korn größen der Ausgangsstoffe wurden gemäß der Lusex-Analysen methode durch Bestimmen der Flächenverhältnisse in SEM-Photo graphien der Ausgangspulver gemessen. Die Ausgangspulver aus amorphem Siliciumoxid wurden ferner mittels der ICP-Spektral methode, der IR-Absorptionsmethode und der Raman-Spektro metrie hinsichtlich ihres Gehalts an verunreinigenden Metal len untersucht, wie in der Tabelle I angegeben ist.

Die erhaltenen Pulvergemische wurden mit einem organischen Bindemittel, einem Weichmacher und Toluol versetzt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Diese wurde dann mittels der Rakelmethode in eine grüne Platte mit einer Dicke von 300 µm überführt. 10 bis 15 grüne Platten wurden übereinander laminiert und bei einer Temperatur von 50°C unter einem Druck von 10 MPa miteinander verbunden.

Das so erhaltene Laminat wurde in einer wasserdampfhaltigen Stickstoffatmosphäre (Taupunkt 60°C) bei 700°C während 1 h und dann bei 750°C während 1 h vom Bindemittel befreit. Ferner wurde das Laminat in trockenem Stickstoff unter den in der Tabelle I angegebenen Bedingungen gebrannt, um die jeweilige Hochfrequenzkeramik zu erhalten.

Bei einigen Proben wurde Quarzpulver, das kristallines SiO₂ war, Al₂O₃-Pulver oder CaO-Pulver, als Füllstoffkomponente anstelle von ZnO und amorphem Siliciumoxid eingesetzt, und es wurden die Keramiken in der gleichen Weise hergestellt (Proben Nr. 9 bis 11 und 18). Ferner wurde die Probe Nr. 25 einer einstufigen Wärmebehandlung bei 750°C während 1 h unterworfen.

Die erhaltenen Keramiken wurden hinsichtlich ihrer dielek trischen Konstanten, dielektrischen Verluste, Biegefestig keiten, thermischen Ausdehnungskoeffizienten und des Gehalts an Restkohlenstoff gemäß den unten angegebenen Methoden untersucht. Ferner wurden sie auf ihre Bestandteile hin ana lysiert und bezüglich der Signalübertragungseigenschaften be wertet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II angegeben.

Dielektrizitätskonstanten und dielektrische Verluste

Die Keramikprobe wurde zu einer Scheibe mit einer vorgege benen Größe geschnitten und gemäß der Methode mit dem dielek trischen Zylinderresonator bei 15 oder 60 GHz unter Einsatz eines Netzwerkanalysators oder einer synthetisierten Kippvor richtung (synthesized sweeper) vermessen. Bei der Messung wurde der dielektrische Resonator mit einem NRD-Leiter (non-radiating dielectric line; einer nicht strahlenden dielek trischen Leitung) angeregt. Die Dielektrizitätskonstanten und die dielektrischen Verluste wurden aus den Resonanzeigen schaften im TE₀₁₁- oder TE₀₂₁-Modus berechnet.

Die dielektrischen Verluste bei 15 GHz wurden unter Einsatz scheibenförmiger Proben mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 5 mm und die dielektrischen Verluste bei 60 GHz an scheibenförmigen Proben mit einem Durchmesser von 2 bis 7 mm und Dicken von 2,0 bis 2,5 mm gemessen.

Biegefestigkeit

Die Probe wurde zugeschnitten, so daß sie eine Breite von 4 mm, eine Dicke von 3 mm und eine Länge von 70 mm aufwies. Ihre Biegefestigkeit wurde mit dem Dreipunktbiegeversuch ge messen, der unter JIS C-2141 angegeben ist.

Thermischer Ausdehnungskoeffizient

Es wurde eine Kurve der thermischen Ausdehnung von der Raum temperatur bis 400°C aufgetragen, um den Ausdehnungskoeffi zienten zu berechnen.

Analyse der Bestandteile

Die Kristallphasen und die amorphen Phasen in den Keramiken wurden mit Hilfe eines Röntgenbeugungsdiagramms identifiziert und gemäß der Liedbert-Methode bestimmt.

Ferner wurden die Verhältnisse bzw. Anteile der Elemente in der amorphen Phase durch EDX (energy dispersive X-ray spec troscopy) mittels der TEM-Analyse und mittels EELS (electron energy loss spectroscopy) gemessen, um die Elemente festzu stellen, die in einer Menge von mindestens 50 ppm vorlagen.

Restkohlenstoff

Die Menge des Restkohlenstoffs wird mittels der Infrarot absorptionsmethode gemessen.

Übertragungsleistung

Auf den isolierenden Substraten aus Keramiken der vorge nannten Proben wurde eine Übertragungsleitung für Hoch frequenzsignale ausgebildet, und zwar durch eine Streifen leitung und eine coplanare Leitung, die von einem Ende der Streifenleitung durch gemeinsames Brennen mit den isolie renden Substraten umgewandelt wurden. Die Streifenleitung bestand aus zentralen Leitern (Cu) mit einer Länge von 1, 2 und 3 cm, einer Breite von 260 µm und einer Dicke von 10 µm, ausgebildet an der Oberfläche des isolierenden Substrats, und aus einer Erdungsschicht, ausgebildet an der ganzen Ober fläche der Innenseite des isolierenden Substrats (der Abstand zwischen den zentralen Leitern und der Erdungsschicht betrug 150 µm).

Am einen Ende der so hergestellten Übertragungsleitung für Hochfrequenzsignale wurden Signale von 60 GHz eingegeben, und es wurde der Wert von S₂₁, der die Übertragungsleistung der Signale repräsentiert, am anderen Ende unter Einsatz eines Netzwerkanalysators gemessen.

Aus den Tabellen I und II ist ersichtlich, daß bei den Proben Nr. 1 und 14, bei denen die Menge des Glases, das SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ enthielt, nicht unter 85 Gew.-% lag, die ZnO und Al₂O₃ enthaltende Kristallphase in einer Menge ausgefällt wurde, die unter 30 Gew.-% lag, und die SiO₂ und MgO enthaltende Kristallphase in einer Menge von unter 5 Gew.-% ausgefällt wurde. Außerdem waren die dielektrischen Verluste groß und die Keramikfestigkeit gering. Andererseits konnte bei der Probe 8, die das Glas in einer Menge von unter 65 Gew.-% enthielt, die Keramik bei Temperaturen von höchstens 1000°C nicht in einer dichten Form erhalten werden.

Bei den Proben Nr. 9 bis 11 und 18, denen andere Keramikfüllstoffpulver anstelle von ZnO-Pulver und amorphem Siliciumoxidpulver zugesetzt worden waren, blieben Metallkomponenten, die nicht Si und B waren, in der amorphen Phase der Keramiken. Dies führte zu einem Anstieg des dielektrischen Verlustes der Keramiken.

Bei den Proben Nr. 12, 13, 19 und 20, die in dem als Aus gangsmaterial verwendeten amorphen Siliciumoxid verunreini gende Metalle, wie Al, Fe und Sb, in einer Gesamtmenge von über 500 ppm enthielten, wurde die Kristallisation von amor phem Siliciumoxid gefördert, die Menge des in der Keramik ausgefällten Quarzes überstieg 6 Gew.-% und der dielektrische Verlust nahm bei 60 GHz (im Hochfrequenzband) zu.

Bei den Proben Nr. 21 bis 24, in denen die Gläser C und D eingesetzt wurden, welche kein SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ enthielten, waren die dielektrischen Verluste groß.

Andererseits wiesen die Keramiken der Proben Nr. 2 bis 7 und 15 bis 17, die unter Einsatz der Gläser A und B erhalten worden waren und die alle SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ enthielten sowie mit speziellen Mengen an ZnO-Pulver und an hochreinem amorphem Siliciumoxidpulver gemischt worden waren, hervorragende Eigenschaften. Beispielsweise lagen die Dielek trizitätskonstanten nicht über 5,7, die dielektrischen Verluste bei 15 GHz waren nicht größer als 10^-3, die dielektrischen Verluste bei 60 GHz waren nicht größer als 15 × 10^-4, die Festigkeiten betrugen nicht weniger als 200 MPa und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten über stiegen nicht 5 bis 6 ppm/°C.

Bei der Probe Nr. 25, die einer einstufigen Wärmebehandlung unterworfen wurde, um das Bindemittel zu entfernen, betrug die Menge des Restkohlenstoffs über 100 ppm, und der dielek trische Verlust war groß.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurden die Keramiken mit einem Gehalt an einer Co-Komponente untersucht. Als kristallisierte Gläser dienten die im Beispiel 1 verwendeten Gläser A und B.

Die Glaspulver wurden in den in der Tabelle III angegebenen Mengen mit einem amorphen Siliciumoxidpulver und einem Kobaltoxidpulver (Co₃O₄) gemischt, um die gewünschten Pulver gemische herzustellen. In der Tabelle III entspricht die Ko baltoxidmenge einem Wert, der für CoO berechnet wurde.

Ferner wurde als amorphes Siliciumoxidpulver das entspre chende Pulver der Probe Nr. 4 im Beispiel 1 benutzt.

Es wurden die drei folgenden Arten von Kobaltoxidpulver ein gesetzt:

Kobaltoxidpulver (a): Spezifische Oberfläche (BET) 40 g/m².
Kobaltoxidpulver (b): Spezifische Oberfläche (BET) 10 g/m².
Kobaltoxidpulver (c): Spezifische Oberfläche (BET) 1 g/m².

100 Gew.-% des vorgenannten Pulvergemisches wurden mit 12 Gew.-% eines Isobutylmethacrylatharzes als organischem Binde mittel in Form einer Feststoffkomponente, 6 Gew.-% Dibutyl phthalat als Weichmacher sowie einem gemischten Lösemittel aus Toluol und Ethylacetat versetzt. Das Gemisch wurde in einer Kugelmühle 40 Stunden gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen.

Unter Einsatz der so erhaltenen Aufschlämmung wurde eine grüne Platte mit einer Dicke von 0,25 mm nach der Rakel methode geformt.

Es wurden acht derart erhaltene grüne Platten übereinander gelegt und unter Druck in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 miteinander laminiert. Das Laminat wurde zu einem Quadrat mit einer Seitenlänge von 60 mm geschnitten, um einen Form körper für das isolierende Substrat zu erhalten.

Einem Cu-Pulver wurden ein Glaspulver, ein Keramikpulver, ein organisches Bindemittel, ein Weichmacher und ein Lösemittel zugegeben, um eine Cu-Paste herzustellen. Diese wurde dann in Form eines Quadrats mit einer Seitenlänge von 12 mm auf die Oberfläche der oben erhaltenen grünen Platte aufgedruckt. Die grüne Platte (Cu-Platte) mit der aufgedruckten Cu-Paste und zwei grüne Platten ohne Cu-Paste wurden derart übereinander gelegt, daß die Cu-Platte die oberste Schicht bildete. Dann wurden die Platten in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 unter Anwendung von Druck miteinander laminiert. Das Laminat wurde dann zu einem Quadrat mit einer Seitenlänge von 24 mm geschnitten, um einen Formkörper für eine Leiterplatte zu erhalten.

Der so erhaltene Formkörper für ein isolierendes Substrat und der Formkörper für die Leiterplatte wurden in zwei Stufen einer Wärmebehandlung unterworfen, um in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 das Bindemittel zu entfernen. Dann erfolgte ein Brennen bei den in der Tabelle III angegebenen Tempera turen, um ein isolierendes Substrat und eine Leiterplatte mit einer Cu-Leiterschicht zu erhalten.

Bei dem isolierenden Substrat wurden die Dielektrizitäts konstante und der dielektrische Verlust (tan δ) bei 60 GHz in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 gemessen. Auch wurde die Anzahl der höckerartigen Defekte an dem isolierenden Substrat mit dem Auge beurteilt. Die Biegefestigkeit und die Menge des Restkohlenstoffs wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 bestimmt. Darüber hinaus wurden die Helligkeit L* und die Farbtiefe C* mit dem L*a*b-Farbanzeigesystem gemessen.

Bei der Leiterplatte wurde die Oberfläche der Cu-Leiter schicht geätzt. Dann wurde eine nicht-elektrolytische Nickel schicht aufplattiert, wobei eine Dicke von 3 µm gewählt wurde, gefolgt von einem Aufplattieren einer nicht-elektroly tischen Au-Schicht mit einer Dicke von 1 µm. Die Oberfläche des Substrats, an der keine Cu-Leiterschicht ausgebildet worden war, wurde mittels eines Stereomikroskops mit 40-facher Vergrößerung untersucht, um eine Verfärbung aufgrund des Anhaftens von Au festzustellen.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle IV angegeben.

Tabelle III

Aus den Tabellen III und IV ist ersichtlich, daß die Kera miken mit der Co-Komponente in Mengen von unter 0,05 Gew.-% (Proben Nr. 1, 2 und 11) durch das Anhaften von Au verfärbt waren. Dagegen wurde bei den anderen Keramiken mit der Co-Komponente in Mengen von mindestens 0,05 Gew.-% eine Ver färbung durch das Anhaften von Au wirksam verhindert.

Die Keramiken mit einem Gehalt an der Co-Komponente in Mengen über 5 Gew.-% (Proben Nr. 10 und 15) zeigten erhöhte dielek trische Verluste. In der Keramik mit einer spezifischen Ober fläche von unter 10 m²/g und mit einem Gehalt an Kobaltoxid pulver (Probe Nr. 19) wurde die Co-Komponente nicht homogen verteilt. Deshalb bildeten sich daran zahlreiche höckerartige Defekte.

Claims

1. Keramik mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften und einem Gehalt an SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ als wesentliche Bestandteile, dadurch gekennzeichnet, daß in ihr
30 bis 50 Gew.-% einer Kristallphase, die ZnO und Al₂O₃ enthält,
5 bis 15 Gew.-% einer Kristallphase, die SiO₂ und MgO enthält, und
40 bis 60 Gew.-% einer amorphen Phase, die im wesentlichen SiO₂ oder SiO₂ und B₂O₃ enthält,
vorliegen, wobei der Gehalt an einer SiO₂-Kristallphase höchstens 6 Gew.-% und der dielektrische Verlust bei 60 GHz nicht über 15 × 10^-4 beträgt.

2. Keramik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an B₂O₃ in der genannten amorphen Phase höchstens 100 ppm beträgt.

3. Keramik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an einer Willemit-Kristallphase, die SiO₂ und ZnO enthält, höchstens 6 Gew.-% beträgt.

4. Keramik nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Kohlenstoff höchstens 100 ppm beträgt.

5. Keramik nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Kobalt in einer Menge von 0,05 bis 5 Gew.-%, berechnet als CoO, enthält.

6. Keramik nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kobalt mindestens in der Kristallphase, die ZnO und Al₂O₃ enthält, und in der amorphen Phase vorliegt.

7. Keramik nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Farbposition in dem L*a*b-Farbanzeigesystem einer Helligkeit L* von unter 80 und einer Farbtiefe C* von über 20 entspricht.

8. Verfahren zum Herstellen einer Keramik mit hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß
aus 65 bis 85 Gew.-% eines kristallisierten Glases, das SiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO und B₂O₃ enthält, 5 bis 20 Gew.-% ZnO-Pulver und 1 bis 20 Gew.-% eines amorphen Silicium oxidpulvers, das höchstens 500 ppm an Verunreinigungen, berechnet als Metalle, enthält, ein Ausgangsgemisch her gestellt wird,
aus dem Gemisch durch Zugabe eines organischen Binde mittels eine Aufschlämmung gebildet wird,
die Aufschlämmung geformt wird,
aus dem erhaltenen Formkörper das Bindemittel entfernt wird und anschließend
der Formkörper bei 800 bis 1000°C gebrannt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein amorphes Siliciumoxidpulver mit einer durchschnitt lichen Korngröße von 1,2 bis 6 µm eingesetzt wird, das höchstens 15 Gew.-% an Teilchen mit einem Korndurchmesser von mindestens 2 µm enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel durch eine Wärmebehandlung entfernt wird, die in zwei Stufen bei 650 bis 710°C und bei 720 bis 770°C durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmebehandlungsstufen jeweils während mindes tens einer Stunde durchgeführt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch der Ausgangsstoffe ein gesetzt wird, das Co₃O₄-Pulver mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens 10 m²/g in einer Menge von 0,05 bis 5 Gew.-%, berechnet als CoO, enthält.

13. Hochfrequenzleiterplatte, gekennzeichnet durch ein iso lierendes Substrat aus einer Keramik nach Anspruch 1 und durch eine Leiterschicht auf der Oberfläche oder im In nern des isolierenden Substrats, wobei die Leiterplatte Hochfrequenzsignale von mindestens 1 GHz übertragen kann.

14. Hochfrequenzleiterplatte nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Leiterschicht mindestens eine Streifenleitung, eine Mikrostreifenleitung, eine co planare Leitung oder eine Leitung eines dielektrischen Wellenleiters bildet und durch ein gemeinsames Brennen mit dem genannten isolierenden Substrat hergestellt wor den ist.

15. Hochfrequenzleiterplatte nach Anspruch 13 oder 14, da durch gekennzeichnet, daß die Leiterschicht mindestens eines der Elemente Kupfer, Silber und Gold enthält.

16. Hochfrequenzleiterplatte nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschicht an der Oberfläche des isolierenden Substrats Kupfer enthält und darauf eine Goldschicht mit einer Dicke von 1 µm aufplattiert ist.