DE10130894A1

DE10130894A1 - Glaskeramik und elektrisches Bauelement mit der Glaskeramik

Info

Publication number: DE10130894A1
Application number: DE10130894A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dernovsek; Gabriele Preu; Wolfram Wersing
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Glaskeramik mit einer aus dem Bereich von einschließlich 600 bis einschließlich 10000 ausgewählten relativen Permittivität epsilon¶r¶, aufweisend mindestens ein Keramikmaterial und mindestens ein Glasmaterial, das mindestens ein Oxid mit Bor, mindestens ein Oxid mit Silizium, mindestens ein Oxid mit mindestens einem zweiwertigen Metall Me·2+· und ein Oxid mit Bismut aufweist. Insbesondere Bismuttrioxid wirkt sich auf ein Verdichten der Glaskeramik derart positiv aus, dass eine Glaskeramik resultiert, die aufgrund der hohen relativen Permittivität als Kondensatorkeramik eingesetzt werden kann. Gleichzeitig erniedrigt sich durch das Bismuttrioxid eine Dichtbrandtemperatur der Glaskeramik so weit, dass die Glaskeramik in der LTCC(low temperature cofired ceramics)-Technologie eingesetzt werden kann. Somit kann ein elektrisches Bauelement in Form eines Kondensators (5) im Volumen eines keramischen Mehrschichtkörpers (1) bei einer Sintertemperatur integriert werden, die unter der Schmelztemperatur von Silber liegt. Elektrisch hochleitfähiges Silber kann als Leitermaterial im keramischen Mehrschichtkörper verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Glaskeramik mit einer aus dem Bereich von einschließlich 600 bis einschließlich 10.000 ausgewählten relativen Permittivität ε_r, aufweisend mindestens ein Keramikmaterial und mindestens ein Glasmaterial, das mindestens ein Oxid mit Bor, mindestens ein Oxid mit Silizium und mindestens ein Oxid mit mindestens einem zweiwertigen Metall Me²⁺ aufweist. Neben der Glaskeramik wird ein elektrisches Bauelement mit der Glaskeramik vorgestellt.

Eine Glaskeramik der genannten Art ist aus EP 0 794 542 B1 bekannt. Das Keramikmaterial der Glaskeramik ist eine Kondensatorkeramik wie Bariumtitanat (BaTiO₃)oder Calciumtitanat (CaTiO₃). Das Glasmaterial weist beispielsweise Bariumoxid (BaO), Bortrioxid (B₂O₃) und Siliziumdioxid (SiO₂) auf. Eine mittlere Partikelgröße des Keramikmaterials beträgt beispielsweise 0,2 µm. Die zugehörige relative Permittivität beträgt beispielsweise 1950. Mit Hilfe der Glaskeramik wird ein elektrisches Bauelement in Form eines Mehrschichtkondensators hergestellt

Die aus dem Stand der Technik bekannte Glaskeramik zeichnet sich durch eine relativ hohe Dichtbrandtemperatur aus. Ein Verdichten der Glaskeramik findet bei einer Temperatur von über 1000°C statt. Zum Herstellen des Mehrschichtkondensators wird ein Grünkörper aus keramischen Grünfolien mit der Glaskeramik und dazwischen angeordneten Elektrodenschichten bei über 1000°C gesintert.

Aus E. L. Wilcox et al. Proceedings 1997, ISAM, Philadelphia, Seiten 17-23, ist das LTCC(low temperature cofired ceramics)- Verfahren bekannt. Mit diesem Verfahren wird ein passives elektrisches Bauelement im Volumen eines keramischen Mehrschichtkörpers integriert. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass Glaskeramik mit einer Dichtbrandtemperatur unter der Schmelztemperatur von Silber verwendet wird. Somit kann das elektrische Bauelement mit dem elektrisch hochleitfähigen Silber im Mehrschichtkörper integriert werden.

Die aus EP 0 794 542 B1 bekannte Glaskeramik, die aufgrund der hohen relativen Permittivität als Kondensatorkeramik verwendet wird, weist eine Dichtbrandtemperatur von über 1000°C auf. Deshalb kann diese Kondensatorkeramik in der LTCC-Technologie nicht eingesetzt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Glaskeramik anzugeben, die eine mit dem bekannten Stand der Technik vergleichbar hohe relative Permittivität aufweist und die für die LTCC-Technologie einsetzbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Glaskeramik mit einer aus dem Bereich von einschließlich 600 bis einschließlich 10.000 ausgewählten relativen Permittivität ε_r, aufweisend mindestens ein Keramikmaterial und mindestens ein Glasmaterial, das mindestens ein Oxid mit Bor, mindestens ein Oxid mit Silizium und mindestens ein Oxid mit mindestens einem zweiwertigen Metall Me²⁺ aufweist, angegeben. Die Glaskeramik ist dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial mindestens ein Oxid mit Bismut aufweist.

Neben der Glaskeramik wird ein elektrisches Bauelement mit der Glaskeramik angegeben. Das Bauelement ist beispielsweise ein Kondenstor. Der Kondensator kann dabei als Mehrschichtkondensator ausgebildet sein. Insbesondere ist der Kondensator in einem keramischen, vorzugsweise glaskeramischen Mehrschichtkörper integriert. Der Kondensator kann dabei mit Hilfe eine ganzen Keramikschicht oder mit Hilfe eines Teiles einer Keramikschicht gebildet sein. Beispielsweise ist eine entlang einer Schichtdicke durch die Keramikschicht hindurchgehenden Ausnehmung mit der Glaskeramik des Kondensators befüllt. Die Glaskeramik wird von der Keramikschicht und den Elektroden des Kondensators begrenzt.

Die Glaskeramik kann als keramischer Grünkörper vorliegen. Bei einem Grünkörper, beispielsweise einer Grünfolie, können ein Pulver des Keramikmaterials und ein Pulver des Glasmaterials mit Hilfe eines organischen Binders miteinander verbunden sein. Denkbar ist auch, dass der Grünkörper rein als Pulvermischung des Keramikmaterials und des Glasmaterials zusammengesetzt ist.

Die Glaskeramik kann auch als gesinterter glaskeramischer Körper vorliegen. Beispielsweise besteht ein in einem Sinterprozess hergestellter keramischer Mehrschichtkörper aus der Glaskeramik. Der Mehrschichtkörper ist beispielsweise ein Mehrschichtkondensator.

Das Keramikmaterial ist insbesondere eine Oxidkeramik. Vorzugsweise weist die Oxidkeramik mindestens einen aus der Gruppe Barium, Calcium, Strontium, Seltenerdmetall Rek, Titan und/oder Zirkonium ausgewählten Stoff auf. Als Seltenerdmetall kommen beispielsweise Lanthan, Neodym oder Samarium in Frage.

Vorzugsweise ist die Oxidkeramik ein Perovskit wie Barium-, Calcium- oder Strontiumtitanat. Der Perovskit kann die zweiwertigen Metalle Barium, Calcium und Strontium in unterschiedlichen Anteilen aufweisen. Vorzugsweise basiert das Keramikmaterial auf einem Barium-Strontium-Titanat-System mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung von Ba_1-xSr_xO₃ (0 ≤ x ≤ 1). Eine Alternative dazu stellt ein Keramikmaterial basierend auf einem Barium-Zirkonium-Titanat-System BaZr_yTi_1- _yO₃ (0 ≤ y ≤ 1) dar. Die Perovskite können mit einem oder mehreren Seltenerdmetallen dotiert sein.

Das Keramikmaterial kann als eine einzige Keramikphase vorliegen. Denkbar ist aber auch, dass mehrere Keramikphasen (mehrere Keramikmaterialen) nebeneinander vorliegen. Beispielsweise ist das Keramikmaterial eine Mischung verschiedener Oxidkeramiken.

Das Glasmaterial kann als eine einzige Phase vorliegen. Beispielsweise ist die Phase eine Glasschmelze aus Bortrioxid, Siliziumdioxid, Oxid eines zweiwertigen Metalls und Bismuttrioxid. Denkbar ist auch, dass mehrere Glasmaterialien nebeneinander vorliegen. Beispielsweise besteht das Glasmaterial aus einer Pulvermischung der angegebenen Oxide, aus der während dem Sintern die Glasschmelze entsteht. Vorzugsweise liegt das Glasmaterial auch nach dem Sintern nicht als reine Schmelzphase vor. Es ist mindestens eine kristalline Phase des Glasmaterials vorhanden.

Der grundliegende Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bismutoxid, vorzugsweise Bismuttrioxid (Bi₂O₃), im Glasmaterial einzusetzen. Ein Vorteil besteht dabei, dass eine Erweichungstemperatur T_soft des gesamten Glasmaterials erniedrigt werden kann. Die Erweichungstemperatur liegt beispielsweise unter 550°C. Je niedriger die Erweichungstemperatur liegt, desto tiefer liegt die Sintertemperatur bzw. die Dichtbrandtemperatur der entsprechenden Glaskeramik. Es findet ein Verdichtung durch viskoses Fließen des Glasmaterials statt. Gleichzeitig wird ein reaktives Flüssigphasensintern begünstigt. Durch eine Reaktion des Glasmaterials mit dem Keramikmaterial kommt es zur Kristallisation des Glases. Es bildet sich ein Kristallisationsprodukt. Dies bedeutet, dass das Glasmaterial nach dem Sintern nicht nur als Glasschmelze, sondern auch in kristalliner Form vorliegt. Es resultiert eine Glaskeramik, deren dielektrische Eigenschaften (beispielsweise die relative Permittivität ε_r oder der Temperaturgang der Frequenz (Tkf-Wert)) durch das Keramikmaterial und die Kristallisationsprodukte des Sinterprozesses entscheidend beeinflusst wird. Mit Hilfe des Bismutoxids als Bestandteil des Glasmaterials ist eine Glaskeramik zugänglich, die eine hohe relative Permittivität aufweist bei gleichzeitig niedriger Dichtbrandtemperatur.

Somit ist es möglich, unter Ausnutzung des besonderen Vorteils der LTCC-Technologie im Volumen eines keramischen Mehrschichtkörpers einen Kondensator zu integrieren.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das zweiwertige Metall Me²⁺ aus der Gruppe Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Kupfer und/oder Zink ausgewählt. Vorzugsweise wird Zink als zweiwertiges Metall Me²⁺ eingesetzt. Es wirkt sich besonders günstig auf die Kristallisationsprozesse aus.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen das Keramikmaterial und/oder das Glasmaterial ein Pulver mit einer mittleren Partikelgröße auf, die aus dem Bereich von einschließlich 0,1 µm bis einschließlich 1,5 µm ausgewählt ist. Mit Hilfe der Partikelgröße kann eine Reaktivität des Glasmaterials gegenüber dem Keramikmaterial gesteuert werden. Je kleiner die Partikelgröße ist, desto höher ist die Reaktivität. Somit lässt sich ein Verhältnis von viskosem Fließen zum reaktiven Flüssigkphasensintern einstellen.

In einer besonderen Ausgestaltung setzen sich 100 Vol.% der Glaskeramik zusammen aus einem Keramikanteil des Keramikanteils, der ausgewählt ist aus dem Bereich von einschließlich 70 Vol.% bis einschließlich 95 Vol.%, und einem Glasanteil des Glasmaterials, der ausgewählt ist aus dem Bereich von einschließlich 30 Vol.% bis einschließlich 5 Vol.%. Insbesondere liegt der Glasanteil unter 20 Vol.%. Dabei wird das reaktive Flüssigphasensintern begünstigt. Außerdem ist bei einem niedrigere Glasanteil und damit höherem Keramikanteil die relative Permittivität höher.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Glaskeramik eine aus der Gruppe Z5U und X7R ausgewählte Temperaturcharakteristik auf. Bei der X7R- Temperaturcharakteristik beträgt eine relative Abweichung von Δε von der relativen Permittivität zwischen -60°C und +120°C weniger als ±15%. Die Glaskeramik weist dabei beispielsweise eine relative Permittivität von 1600 bis 2000 auf.

Bei der Z5U-Charakteristik beträgt Δε bei 5°C bis 80°C zwischen +22% und -56%. Die Glaskeramik weist dabei beispielsweise eine relative Permittivität von 4.500 bis 10.000 auf. In diesem Fall ist für das Verdichten der Glaskeramik während des Sinterns eine mittlere Partikelgröße des Pulvers des Keramikmaterials von unter 1,0 µm besonders vorteilhaft.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Glaskeramik eine Güte Q von einschließlich 15 bis einschließlich 100 auf. Dies entspricht einem tanδ (1/Q) von unter 0,07.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Glaskeramik eine aus einem Temperaturintervall von einschließlich 700°C bis einschließlich 910°C auf ausgewählte Dichtbrandtemperatur auf. Damit ist die Glaskeramik voll einsatzfähig für die LTCC-Technologie.

Insbesondere beträgt ein Bleioxidanteil und/oder ein Cadmiumoxidanteil der Glaskeramik maximal 0,1%, insbesondere maximal 1 ppm. Ein Dichtsintern bei relativ niedrigen Temperaturen gelingt praktisch ohne Einsatz von Bleioxid (PbO) oder Cadmiumoxid (CdO). Daraus resultiert eine hohe Umweltverträglichkeit der Glaskeramik.

Anhand eine Ausführungsbeilspiels und der dazugehörigen Figur wird nachfolgend eine Glaskeramik und eine elektrisches Bauelement mit der Glaskeramik vorgestellt. Die Figur ist schematisch und stellt keine maßstabsgetreue Abbildung dar.

Die Figur zeigt einen keramischen Mehrschichtkörper im Querschnitt von der Seite.

Der keramische Mehrschichtkörper 1 ist mit Hilfe der LTCC- Technologie hergestellt. Er besteht aus drei Keramikschichten 2, 3 und 4. In der Keramikschicht 3 ist ein elektrisches Bauelement in Form eines Kondensators 5 integriert. Dazu weist die Keramikschicht 3 die entlang der Schichtdicke 6 durchgehende Aussparung 7 auf, die mit der Glaskeramik 8 befüllt ist. Die Glaskeramik 8 ist von den Elektroden 9 begrenzt und bildet zusammen mit den Elektroden 9 den Kondensator 5. Die Keramikschichten 2, 3 und 4 weisen eine weitere Glaskeramik mit einer weiteren Dichtbrandtemperatur von unter 910°C. Die Elektroden 9 bestehen aus Silber.

Die Glaskeramik 8 weist einen Keramikanteil des Keramikmaterials von 90 Vol.% und einen Glasanteil des Glasmaterials von 10 Vol.%.

Das Keramikmaterial der Glaskeramik 8 ist in einer Ausgangsform (vor dem Sintern) ein Pulver des Keramikmaterials BaTiO3 mit einer mittleren Partikelgröße d₅₀ von 1,1 µm. Das Glasmaterial weist eine Ausgangszusammensetzung (Zusammensetzung vor dem Sintern) von 27 Vol.% Bortrioxid, 35 Vol.% Bismuttrioxid, 32% Vol.% Zinkoxid und 6% Vol.% Siliziumdioxid auf.

Die angegebene Glaskeramik wird durch gemeinsames Sintern mit den keramischen Grünfolien, die zu den Keramikschichten 2, 3 und 4 führen, bei einer Temperatur von 900°C eine Stunde lang getempert. Es findet ein Verdichten der Glaskeramik statt. Dabei resultiert eine Glaskeramik mit X7R- Temperaturcharakteristik mit Δε unter ±15% zwischen -50°C und +125°C. Die relative Permittivität der Glaskeramik beträgt etwa 800. Die Güte Q liegt bei 20, was einem tanδ von 0,04 entspricht. Der Tkf-Wert beträgt 700 ppm/K.

Claims

1. Glaskeramik mit
einer aus dem Bereich von einschließlich 600 bis einschließlich 10.000 ausgewählten relativen Permittivität ε_r, aufweisend
mindestens ein Keramikmaterial und
mindestens ein Glasmaterial, das mindestens ein Oxid mit Bor, mindestens ein Oxid mit Silizium und mindestens ein Oxid mit mindestens einem zweiwertigen Metall Me²⁺ aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Glasmaterial mindestens ein Oxid mit Bismut aufweist.

2. Glaskeramik nach Anspruch 1, wobei das zweiwertige Metall Me²⁺ aus der Gruppe Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Kupfer und/oder Zink ausgewählt.

3. Glaskeramik nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Keramikmaterial und/oder das Glasmaterial ein Pulver mit einer mittleren Partikelgröße aufweisen, die aus dem Bereich von einschließlich 0,1 µm bis einschließlich 1,5 µm ausgewählt ist.

4. Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich 100 Vol.% der Glaskeramik zusammensetzen aus einem Keramikanteil des Keramikmaterials, der ausgewählt ist aus dem Bereich von einschließlich 70 Vol.% bis einschließlich 95 Vol.%, und einem Glasanteil des Glasmaterials, der ausgewählt ist aus dem Bereich von einschließlich 30 Vol.% bis einschließlich 5 Vol.%.

5. Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer aus der Gruppe Z5U und X7R ausgewählten Temperaturcharakteristik.

6. Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer aus dem Bereich von einschließlich 15 bis einschließlich 100 ausgewählten Güte Q.

7. Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer aus dem Temperaturintervall von einschließlich 700°C bis einschließlich 910°C ausgewählten Dichtbrandtemperatur.

8. Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Bleioxidanteil und/oder ein Cadmiumoxidanteil maximal 0,1%, insbesondere maximal 1 ppm beträgt.

9. Elektrisches Bauelement (5) mit der Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 9 in Form eines Kondensators, der in einem keramischen Mehrschichtkörper (1) integriert ist.