DE102014118734A1

DE102014118734A1 - Dickfilmschaltungen mit leitenden komponenten, die unter verwendung verschiedener leitender elemente ausgebildet sind, und verwandte verfahren

Info

Publication number: DE102014118734A1
Application number: DE102014118734.2A
Authority: DE
Inventors: Lisa M. Albaugh; David A. Smith
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2015-06-25
Also published as: US9681559B2; US20150181725A1; CN104735905B; CN104735905A

Abstract

Es ist hier eine Vielzahl von Ausführungsformen von Dickfilmschaltungen, die leitende Komponenten aufweisen, die unter Verwendung verschiedener leitender Elemente geformt sind, sowie verwandte Verfahren zum Ausbilden derartiger Schaltungen offenbart. Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Dickfilmschaltung mit mehreren Ebenen, die auf einem Substrat ausgebildet ist und eine erste Schicht aufweist, die an dem Substrat angeordnet ist. Die erste Schicht kann eine erste leitende Komponente aufweisen, die unter Verwendung eines ersten leitenden Elements ausgebildet ist. Das erste leitende Element kann ein Edelmetall sein. Die Schaltung kann ferner eine zweite Schicht aufweisen, die eine zweite leitende Komponente aufweist. Die zweite leitende Komponente kann unter Verwendung eines zweiten leitenden Elements ausgebildet sein. Bei einer Ausführungsform kann das zweite leitende Element ein Unedelmetall sein. Zumindest ein Anteil des ersten leitenden Elements kann direkt in Kontakt mit zumindest einem Anteil des zweiten leitenden Elements stehen, so dass die erste Schicht in elektrischer Kommunikation mit der zweiten Schicht steht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Dickfilmschaltungen. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich betrifft diese Offenbarung Dickfilmschaltungen, bei denen verschiedene leitende Elemente verwendet sind, um verschiedene Komponenten zu bilden. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann eine leitende Komponente, die unter Verwendung von Silber ausgebildet ist, in direkter elektrischer Verbindung mit einer leitenden Komponente, die unter Verwendung von Kupfer ausgebildet ist, stehen.
HINTERGRUND
Dickfilmschaltungen können unter Verwendung eines Additivprozesses hergestellt werden, bei dem aufeinanderfolgende Schichten von Materialien auf einem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet werden. Leitende Dickfilmelemente können beispielsweise durch Siebdrucken einer leitenden Dickfilmtinte, die mit einem pulverförmigen Basismetall bzw. Unedelmetall formuliert ist, auf ein nichtleitendes Substrat ausgebildet werden. Die leitende Dickfilmtinte kann dann getrocknet und gebrannt werden, um das pulverförmige Unedelmetall und andere verbleibende Bestandteile an das Substrat zu sintern oder zu schmelzen. Das Substrat kann entweder vor, während oder nach einem Additivprozess, der dazu verwendet wird, eine Dickfilmschaltung auszubilden, verarbeitet werden (z. B. Ritzen, Profilieren, Bohren, Würfeln, etc.).
Die leitenden Tinten können dazu verwendet werden, Elektroden, Widerstände, Anschlüsse und andere Merkmale der Schaltung zu bilden. Die Funktion der Schaltung kann durch eine Auslegung, die auf das Substrat gedruckt ist, und eine Kombination von Merkmalen bestimmt sein, die an der Schaltung enthalten sind. Die Schaltung kann ferner mit Anschlussstellen zum Befestigen von Halbleiterchips, Verbinderleitungen, Kondensatoren und dergleichen ausgelegt sein.
Die Dickfilmschaltungen sind herkömmlich unter Verwendung von Edelmetallen als dem primären leitfähigen Element hergestellt worden. Die hohen Kosten von Edelmetallen tragen signifikant zu den Kosten der Erzeugung von Dickfilm- und Hybridschaltungen unter Verwendung von Techniken zur Dickfilmproduktion bei. Obwohl Unedelmetalle geringere Kosten besitzen, hat eine Vielzahl von Faktoren bisher Herausforderungen bei der Verwendung derartiger Metalle in Dickfilmschaltungen, insbesondere Schaltungen mit mehreren Ebenen, gezeigt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass potentielle Vorteile durch Verwendung von Unedelmetallen in Dickfilmschaltungen, die herkömmlich unter Verwendung von Edelmetallen ausgebildet worden sind, erreicht werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nichtbeschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Offenbarung sind einschließlich verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung mit Bezug auf die Figuren beschrieben, in welchen:
1A eine perspektivische Ansicht einer ersten leitenden Schicht einer Dickfilmschaltung mit einem ersten leitenden Element, das unter Verwendung eines ersten leitenden Materials ausgebildet ist, an einem Substrat gemäß gewisser Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
1B eine perspektivische Ansicht einer dielektrischen Schicht, die oben an dem ersten leitenden Element der in 1A gezeigten Schaltung angeordnet ist, gemäß gewisser Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
1C eine perspektivische Ansicht einer zweiten leitenden Komponente, die unter Verwendung des ersten leitenden Elements ausgebildet und zumindest teilweise auf der dielektrischen Schicht der in 1B gezeigten Schaltung angeordnet ist, gemäß gewisser Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
1D eine Mehrzahl leitender Komponenten, die unter Verwendung eines zweiten leitenden Materials geformt sind, gemäß gewisser Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
1E eine alternative Ausführungsform einer Schaltung, die eine zu der in den 1C und 1D gezeigten Schaltung alternative Ausführungsform repräsentiert, bei der eine Mehrzahl leitender Elemente, die unter Verwendung des zweiten leitenden Elements geformt sind, zumindest teilweise an dem Oberteil der dielektrischen Schicht angeordnet ist, gemäß gewisser Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 eine Konzeptansicht eines Querschnitts einer mehrschichtigen Dickfilmschaltung, bei der leitende Komponenten in elektrischer Kommunikation unter Verwendung einer leitenden Komponente stehen, die unter Verwendung eines anderen leitenden Elements als die leitenden Komponenten geformt ist, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3 ein Bild eines Querschnitts einer mehrschichtigen Dickfilmschaltung, bei der eine erste leitende Schicht, die unter Verwendung von Silber ausgebildet ist, in elektrischer Kommunikation mit einer zweiten leitenden Schicht, die unter Verwendung von Kupfer ausgebildet ist, steht, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ausbilden einer Dickfilmschaltung mit mehreren leitenden Schichten, die unter Verwendung verschiedener leitender Materialien geformt sind, gemäß gewisser Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Ausführungsformen der Offenbarung werden am besten mit Bezug auf die Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Teile überall mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Es ist leicht zu verstehen, dass die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, wie allgemein in den Figuren hier beschrieben und gezeigt sind, in einer breiten Vielzahl verschiedener Konfigurationen angeordnet und ausgelegt sein können. Somit ist die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der Offenbarung nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Offenbarung, wie er beansprucht ist, zu beschränken, sondern ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen der Offenbarung. Zusätzlich müssen die Schritte jedes offenbarten Verfahrens nicht unbedingt in einer spezifischen Reihenfolge oder sogar sequentiell ausgeführt werden, noch müssen die Schritte nur einmal ausgeführt werden, sofern es nicht anders festgelegt ist.
In gewissen Fällen sind gut bekannte Merkmale, Strukturen oder Betriebsabläufe nicht detailliert gezeigt oder beschrieben. Ferner können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Betriebsabläufe auf irgendeine geeignete Art und Weise bei einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. Es sei auch leicht zu verstehen, dass die Komponenten der Ausführungsformen, wie allgemein in den Figuren hier beschrieben und gezeigt ist, in einer breiten Vielzahl verschiedener Konfigurationen angeordnet und ausgelegt sein können.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfassen Dickfilmschaltungen, die leitende Komponenten aufweisen, die unter Verwendung verschiedener leitender Elemente geformt sind. Wie hier verwendet ist, ist der Begriff ”leitendes Element” nicht speziell auf ein bestimmtes Element des Periodensystems beschränkt. Vielmehr kann ein leitendes Element auch Legierungen und andere Verbundstoffe, die mehrere Elemente aus dem Periodensystem enthalten, betreffen. Ferner weisen alle Materialien Unreinheiten auf, und ein leitendes Element, wie der Begriff hier verwendet ist, erfordert kein spezielles Reinheitsniveau. Es kann eine Vielzahl leitender Elemente, die dem Fachmann bekannt sind, bei Dickfilmschaltungen verwendet werden, um leitende Komponenten bei verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung zu erzeugen.
Dickfilmschaltungen besitzen eine breite Anwendung in der Kraftfahrzeugindustrie und in anderen Industrien. In der Kraftfahrzeugindustrie können beispielsweise Dickfilmschaltungen in Wechselrichtern, Wandlern, Sensoren (z. B. Sensoren für Luft/Kraftstoff-Gemisch, Drucksensoren, Sensoren zur Steuerung des Motors und Getriebekastens, Airbagsensoren etc.) und dergleichen verwendet werden. Derartige Schaltungen können eine hohe Zuverlässigkeit und die Fähigkeit zum Betrieb innerhalb großer Temperaturbereiche bieten.
Hybridschaltungen sind miteinander verbundene Schaltungen mit mehreren Ebenen, die aus einem Halbleiterchip oder Chip mit integrierter Schaltung bestehen, der an einem keramischen Isolatorsubstrat montiert ist. Hybridschaltungen können in dreidimensionalen Strukturen durch Verwendung mehrerer Schichten elektrischer Komponenten aufgebaut werden. Dielektrisch isolierenden Schichten werden zwischen Leiterschichten platziert, um ein Übereinanderschichten bzw. Überkreuzen der Leiter zuzulassen. Die isolierten, sich überlappenden Leiterschichten sind über Durchgänge miteinander verbunden, die durch die isolierenden Schichten geformt und mit einem Leitermaterial gefüllt sind. Die Durchgänge sind Löcher, die in einzelnen Isolatorschichten geformt sind, und sind mit einer leitenden Metallpaste gefüllt. Schaltungen mit mehreren Ebenen können in einer Mehrzahl von Schritten ausgebildet werden. Beispielsweise kann ein Schritt die Ausbildung einer leitenden Komponente betreffen, und ein nachfolgender Schritt kann die Ausbildung einer Isolationsschicht auf der leitenden Komponente betreffen.
Um die Kosten von Dickfilm- und Hybridschaltungen zu reduzieren, kann Kupfer anstelle von Silber für Leiterbahnen, Kühlkörper, Masseplatten bzw. Bezugserden, etc. verwendet werden. In einigen Fällen wird Silber dazu verwendet, mehrlagige oder übereinanderliegende bzw. sich überkreuzende Anwendungen zu unterstützen, da Isolationsmaterialien (z. B. ein Dielektrikum) auf dem Silber angeordnet sein können, jedoch können Schwierigkeiten entstehen, wenn Isolationsmaterialien auf oder unter Unedelmetallen, wie Kupfer, angeordnet werden.
Leiterpasten aus Edelmetall können unter Verwendung einer Vielzahl von Metallen vorbereitet werden, wie Gold, Silber, Platin, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium und Osmium sowie Kombinationen derartiger Metalle. Widerstandspastenmaterialien werden aus einer Vielzahl von Substanzen vorbereitet, wie Kohlenstoff, Tallium, Indium, Ruthenium und dergleichen. Materialien für dielektrische Pasten werden aus Materialien vorbereitet, wie Gläsern, Keramiken, Glasuren und ferroelektrischen Materialien.
Ein oder mehrere Brennprozesse können verwendet werden, um die Schichten dauerhaft an dem Substrat zu fixieren. Die Brennprozesse können die anorganischen Bestandteile sintern oder schmelzen, um den gedruckten Film an das Substrat zu binden. Die Anwesenheit einer oxidierenden Atmosphäre (d. h. Luft) während des Brennprozesses kann die Sinter- und Verbindungsprozesse unterstützen, die zwischen dem Dickfilm und dem Substrat auftreten. Die Anwesenheit einer oxidierenden Atmosphäre dient auch dazu, die kohlenstoffbasierten Komponenten, die in der Paste vorhanden sind, zu oxidieren und zu entfernen.
Unedelmetalle, wie Kupfer, werden in einer Luftatmosphäre während eines Brennschrittes oxidiert, und somit kann während des Brennens eine inerte oder neutrale Atmosphäre, wie Stickstoff, verwendet werden. Eine nennenswerte Menge an Sauerstoff in dem Brennschritt kann eine Oxidation des Kupfers bewirken, was seinerseits die elektrischen Charakteristiken und die Löteigenschaften des Leiters aufgrund der Bildung von Kupferoxidbeschichtungen beeinträchtigen kann. Demgemäß weist das Ausbilden von Dickfilmschaltungen, die leitende Komponenten aufweisen, die unter Verwendung verschiedener leitender Elemente hergestellt sind, Herausforderungen auf. Überdies können verschiedene leitende Elemente verschiedene Brenntemperaturen erfordern, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen und ein Auswaschen zu vermeiden.
Eine bestimmte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann in Verbindung mit elektrischen Wechselrichtern und Wandlern, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden, angewendet werden. Derartige Anwendungen erfordern eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit zusammen mit einer hohen Zuverlässigkeit. Derartige Schaltungen können Merkmale eines Übereinanderliegens einschließen, wobei leitende Elemente in mehreren Schichten einer Schaltung angeordnet und durch eine oder mehrere Schichten aus isolierenden Materialien getrennt sind. Wie oben diskutiert ist, kann eine derartige Schaltung unter Verwendung mehrerer Schritte geformt werden, bei denen eine Mehrzahl von Merkmalen an der Dickfilmschaltung erzeugt sind. Silber und Silberlegierungen können dazu verwendet werden, die leitenden Elemente in einer derartigen Schaltung zu bilden. Die Verwendung von Silber und Silberlegierungen als das leitende Element kann ausgezeichnete elektrische und thermische Eigenschaften bereitstellen; jedoch sind die Kosten von Silber im Vergleich zu anderen leitenden Elementen, wie Kupfer, signifikant. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann Kupfer gegen Silber ersetzt werden, um Kosteneinsparungen zu erreichen, die den geringeren Kosten des Kupfers im Vergleich zu den Kosten des Silbers zugeordnet sind.
1A zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten leitenden Schicht einer Dickfilmschaltung 100 mit einer leitenden Komponente 102, die unter Verwendung eines ersten leitenden Elements gebildet ist, an einem Substrat 104 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei einer Ausführungsform kann das Substrat 104 vor der Ausbildung der leitenden Komponente 102 an dem Substrat 104 hergestellt werden. Die Herstellung kann beispielsweise ein Ritzen, Profilieren, Lochbohren und/oder Würfeln aufweisen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Substrat 104 Aluminiumoxid umfassen, obwohl andere geeignete Materialien ebenfalls denkbar sind.
1B zeigt eine perspektivische Ansicht einer dielektrischen Schicht 106, die auf der leitenden Komponente 102 der in 1A gezeigten Schaltung 100 angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die dielektrische Schicht 106 kann unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien ausgebildet sein. Die dielektrische Schicht 106 kann eine leitende Komponente 102 von anderen leitenden Komponenten, die anschließend geformt werden können, trennen.
1C zeigt eine perspektivische Ansicht einer leitenden Komponente 112, die unter Verwendung des leitenden Elements 102 geformt und zumindest teilweise auf der dielektrischen Schicht 106 der in 1B gezeigten Schaltung 100 angeordnet ist, gemäß gewisser Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Wie in 1C gezeigt ist, isoliert die dielektrische Schicht 106 die leitende Komponente 102 elektrisch von der leitenden Komponente 112. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die leitende Komponente 112 unter Verwendung von Silber ausgebildet werden. Bei dieser Ausführungsform kann die Schaltung, die die leitende Komponente 112 aufweist, in einer Atmosphäre gebrannt werden, die Sauerstoff bei einer Temperatur von etwa 850°C enthält.
1D zeigt eine Mehrzahl leitender Komponenten 108a–d, die unter Verwendung eines zweiten leitenden Materials geformt sind, gemäß gewisser Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Bei der gezeigten Ausführungsform stehen die leitenden Komponenten 108a und 108b über die leitende Komponente 112 in elektrischer Verbindung. Mit anderen Worten kann ein elektrischer Strom von der leitenden Komponente 108a an die leitende Komponente 112 und an die leitende Komponente 108b übertragen werden. Gleichermaßen stehen die leitenden Komponenten 108c und 108d in elektrischer Verbindung über die leitende Komponente 102. Im Gegensatz dazu trennt die dielektrische Schicht 106 die leitenden Komponenten 108a, 108b elektrisch von den leitenden Komponenten 108c, 108d.
Bei der in 1D gezeigten Ausführungsform sind die leitenden Komponenten, die über und unter der dielektrischen Schicht 106 angeordnet sind, unter Verwendung des ersten leitenden Elements ausgebildet. Gewisse leitende Elemente, die in verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet sein können, können in der Fähigkeit, angemessen an die dielektrische Schicht 106 zu koppeln, variieren. Demgemäß können bei gewissen Ausführungsformen alle leitenden Elemente in einer Schaltung mit mehreren Ebenen, die mit einem Dielektrikum in Kontakt stehen, unter Verwendung desselben leitenden Elements ausgebildet sein.
1E zeigt eine alternative Ausführungsform einer Schaltung, die eine alternative Ausführungsform der in den 1C und 1D gezeigten Schaltung repräsentiert und bei der eine Mehrzahl leitender Komponenten, die unter Verwendung des zweiten leitenden Elements geformt sind, zumindest teilweise auf der dielektrischen Schicht angeordnet sind, gemäß gewisser Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In 1E werden die leitenden Komponenten 108a–108c unter Verwendung eines zweiten leitenden Elements ausgebildet. Obwohl die leitenden Komponenten 108a, 108b und 108c in Verbindung mit der gezeigten Ausführungsform so beschrieben sind, dass sie in einer zweiten leitenden Schicht ausgebildet sind, können bei alternativen Ausführungsformen diese leitenden Elemente in verschiedenen Schichten und/oder in verschiedenen Schritten in einem Prozess ausgebildet werden, der dazu verwendet wird, die Schaltung 100 zu erzeugen. Zurück zu einer Diskussion der gezeigten Ausführungsform ist das leitende Element 108a teilweise auf der dielektrischen Schicht 106 angeordnet, und die dielektrische Schicht 106 trennt die erste leitende Komponente 102 von dem leitenden Element 108a. Im Gegensatz dazu sieht die erste leitende Komponente 102 einen elektrischen Pfad zwischen den leitenden Elementen 108d und 108b vor.
Die zweite leitende Schicht 108 kann unter Verwendung eines anderen leitenden Elements, als dem leitenden Element, das die erste leitende Komponente 102 bildet, ausgebildet sein. Bei einer spezifischen Ausführungsform kann die erste leitende Komponente 102 Silber als das leitende Element verwenden, während die zweite leitende Schicht 108 Kupfer als das leitende Element verwenden kann. An der Grenzfläche 110 zwischen der ersten leitenden Komponente 102 und der zweiten leitenden Schicht 108 kann das Kupfer der zweiten leitenden Schicht 108 in direkter physikalischer Verbindung mit dem Silber des ersten leitenden Elements 102 stehen. Der direkte physikalische Kontakt zwischen dem Silber und dem Kupfer kann einen elektrischen Pfad zwischen der ersten leitenden Komponente 102 und der zweiten leitenden Schicht 108 erzeugen.

Es können eine oder mehrere der folgenden Formulierungen als eine Dickfilmformulierung aus leitender Tinte zur Ausbildung einer leitenden Schicht verwendet werden, bei der Kupfer das leitende Element ist. Die Beispiele sind nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen und nicht dazu bestimmt, die verschiedenen Ausführungsformen der leitenden Dickfilmtinten auf irgendeine Weise einzuschränken. Alle Materialien sind in Gewichtsprozent angegeben. Beispielhafte Formulierung 1 (theoretische Ausbeute)

Bestandteil	Gew.%
Anorganischer Anteil
Cu-Pulver – (Basis, #1 , #2, oder #3**)	50 bis 85 (z. B. etwa 68)
CuO	3 bis 23 (z. B. etwa 7,69)
Elementares B	0,5 bis 5 (z. B. etwa 1,15)
Organischer Anteil
Texanol^TM	8 bis 25 (z. B. etwa 19,62)
Butyl Diglyme	1 bis 4 (z. B. etwa 2,31)
Ethylzellulose	0,5 bis 3 (z. B. 1,15)
Gesamt	100,0

*Cu-Pulver (Basis) – entagglomerierte beschichtete feine Partikel; Oberfläche zwischen etwa 0,4 bis etwa 0,75 m²/g wie kleiner als etwa 0,64 m²/g; mittlere Partikelgröße zwischen etwa 4,5 bis etwa 10,5 μm, wie kleiner als etwa 6,65 μm.
** Cu-Pulver (Option #1) – kristalline Partikel im Submikrometermaßstab; Oberfläche zwischen etwa 1,5 bis etwa 2,5 m²/g, wie kleiner als etwa 1,85 m²/g; mittlere Partikelgröße zwischen etwa 0,5 bis etwa 0,9 μm, wie kleiner als etwa 0,65 μm.
*** Cu-Pulver (Option #2) – monodispergierte Partikel; Oberfläche zwischen etwa 0,3 bis etwa 0,8 m²/g, wie kleiner als etwa 0,5 m²/g; mittlere Partikelgröße zwischen etwa 0,01 bis etwa 2 μm, wie kleiner als etwa 2 μm.
**** Cu-Pulver (Option #3) – Oberfläche zwischen etwa 0,8 bis etwa 1,5 m²/g wie kleiner als etwa 1 m²/g; mittlere Partikelgröße zwischen etwa 1 bis etwa 2 μm, wie etwa 1,5 μm. Beispielhafte Formulierung 2 (theoretische Ausbeute)

Bestandteil	Gew.%
Anorganischer Anteil
Cu-Pulver (Basis*)	25 bis 50 (z. B. 38)
Cu-Pulver #3****	25 bis 50 (z. B. 38)
CuO	3 bis 23 (z. B. etwa 4,9)
Elementares B	0,5 bis 5 (z. B. etwa 1,2)
Organischer Anteil	10 bis 30 (z. B. etwa 17,9)
Gesamt	100,0

Beispielhafte Formulierung 3 (theoretische Ausbeute)

Bestandteil	Gew.%
Anorganischer Anteil
Cu-Pulver (Basis*)	40 bis 65 (z. B. 58,2)
Cu-Pulver #2***	10 bis 20 (z. B. 14,7)
CuO	3 bis 23 (z. B. etwa 8,2)
Elementares B	0,5 bis 5 (z. B. etwa 1,3)
Organischer Anteil	10 bis 30 (z. B. etwa 17,6)
Gesamt	100,0

Beispielhafte Formulierung 4 (theoretische Ausbeute)

Bestandteil	Gew.%
Anorganischer Anteil
Cu-Pulver (Basis*)	45 bis 65 (z. B. 53,9)
Cu-Pulver #1**	5 bis 20 (z. B. 9,8)
CuO	3 bis 23 (z. B. etwa 15,2)
Elementares B	0,5 bis 5 (z. B. etwa 3,1)
Organischer Anteil	10 bis 30 (z. B. etwa 18)
Gesamt	100,0

2 zeigt eine Konzeptansicht eines Querschnitts einer mehrschichtigen Dickfilmschaltung 200, bei der leitende Komponenten 208a und 208b in elektrischer Kommunikation unter Verwendung einer leitenden Komponente 202 stehen, die unter Verwendung eines anderen leitenden Elements als die leitenden Komponenten 208a und 208b ausgebildet ist, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Ein Substrat 204 liegt unter der Schaltung 200. Gemäß einiger Ausführungsformen kann das Substrat 204 Aluminiumoxid umfassen. Eine dielektrische Schicht 206 kann die leitende Komponente 202 elektrisch von einer anderen leitenden Komponente 210 trennen.
Eine Grenzfläche 212 zwischen der leitenden Komponente 208b und der leitenden Komponente 202 kann eine Fläche umfassen, bei der die leitende Komponente 208b über der leitenden Komponente 202 liegt. Der physikalische Kontakt zwischen der leitenden Komponente 208b und der leitenden Komponente 202 kann einen elektrischen Pfad erzeugen, durch den elektrische und/oder thermische Energie fließen kann.
3 zeigt ein Bild 300 eines Querschnitts einer beispielhaften mehrschichtigen Dickfilmschaltung, bei der eine erste leitende Schicht 304, die aus Silber ausgebildet ist, in elektrischer Kommunikation mit einer zweiten leitenden Schicht 302 steht, die aus Kupfer ausgebildet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Bild zeigt einen Vergrößerungsfaktor von 3500. Die erste leitende Schicht 304 kann auf einem Substrat 306 abgeschieden sein. Wie gezeigt ist, ist die zweite leitende Schicht 302, die aus Kupfer ausgebildet ist, direkt auf der ersten leitenden Schicht 304, die aus Silber ausgebildet ist, abgeschieden.
Es kann ein erster Brennprozess verwendet werden, um die erste leitende Schicht 304 dauerhaft an dem Substrat 306 anzubringen. Die ersten Brennprozesse können die anorganischen Bestandteile sintern oder schmelzen, um den gedruckten Film an das Substrat zu binden. Die Anwesenheit einer oxidierenden Atmosphäre (d. h. Luft) während eines ersten Brennprozesses kann die Sinter- und Bondprozesse zwischen dem Substrat 306 und der ersten leitenden Schicht 304 unterstützen. Bei einer spezifischen Ausführungsform kann der erste Brennprozess bei einer Temperatur von etwa 850°C ausgeführt werden.
Ein zweiter Brennprozess kann dazu verwendet werden, die zweite leitende Schicht 302 an der ersten leitenden Schicht 304 anzubringen. Der zweite Brennprozess kann in einer inerten Atmosphäre ausgeführt werden. Der zweite Brennprozess kann bei einer geringeren Temperatur als der erste Brennprozess ausgeführt werden, um ein Auswaschen der ersten leitenden Schicht 304 zu reduzieren. Bei einer spezifischen Ausführungsform kann der zweite Brennprozess bei einer Temperatur zwischen 600°C und 700°C ausgeführt werden.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 zur Ausbildung einer Dickfilmschaltung, die mehrere leitende Schichten aufweist, die aus verschiedenen leitenden Materialien ausgebildet sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei 402 kann ein Substrat zur Verwendung in Verbindung mit einer Hybridschaltung vorbereitet werden. Derartige Vorbereitungen können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Ritzen, Profilieren, Bohren, Würfeln, etc. Bei 404 kann eine Schicht der Dickfilmschaltung mit einer oder mehreren leitenden Komponenten unter Verwendung eines ersten leitenden Elements geformt werden. Zusätzlich zu dem Einschluss einer oder mehrerer leitender Komponenten kann die Schicht auch eine Mehrzahl elektrischer Komponenten (z. B. Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltungen, etc.) und elektrisch isolierende Komponenten aufweisen. Bei gewissen Ausführungsformen kann das erste leitende Element ein oder mehrere Edelmetalle (z. B. Gold, Silber, Platin, etc.) aufweisen.
Die Dickfilmschaltung, die die bei 404 ausgebildete Schicht aufweist, kann bei 406 in einer ersten Atmosphäre gebrannt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Atmosphäre Sauerstoff aufweisen. Das Brennen in der ersten Atmosphäre kann zum Brennen leitender Elemente, die Edelmetalle (z. B. Silber, Gold, Silber, Platin, etc.) aufweisen, auf ein Substrat geeignet sein. Es kann eine Brenntemperatur verwendet werden, die für die Materialien geeignet ist. Bei einem Beispiel, bei dem das leitende Element Silber ist, kann der Brennprozess bei etwa 850°C ± 20°C ausgeführt werden.
Bei 408 kann ermittelt werden, ob eine zusätzliche Schicht, die das erste leitende Element verwendet, ausgebildet werden soll. Wenn eine zusätzliche Schicht ausgebildet werden soll, kann das Verfahren 400 zu 404 zurückkehren. Wenn keine zusätzliche Schicht ausgebildet werden soll, kann das Verfahren 400 zu 410 fortfahren. Wie oben beschrieben ist, kann eine elektrisch isolierende Komponente, wie eine dielektrische Schicht, auf den elektrisch leitenden Komponenten ausgebildet sein, die aus Edelmetallen ausgebildet sind. Wie ebenfalls oben beschrieben ist, kann die Ausbildung einer elektrisch isolierenden Komponente, wie einer dielektrischen Schicht, auf einer Schicht, die aus Unedelmetallen ausgebildet ist, mit Schwierigkeiten in Verbindung stehen.
Der Übergang zwischen dem Formen von Elementen der Dickfilmschaltung unter Verwendung des ersten leitenden Elements und des zweiten leitenden Elements kann bei gewissen Ausführungsformen durch Platzieren von Isolatoren an der Dickfilmschaltung ermittelt werden. Wie oben beschrieben ist, kann eine elektrisch isolierende Komponente, wie eine dielektrische Schicht, auf den elektrisch leitenden Komponenten, die aus Edelmetallen ausgebildet sind, ausgebildet werden. Wie ebenfalls oben beschrieben ist, können mit der Ausbildung einer elektrisch isolierenden Komponente, wie einer dielektrischen Schicht, auf einer Schicht, die aus Unedelmetallen ausgebildet ist, Schwierigkeiten in Verbindung stehen. Demgemäß kann bei einer Ausführungsform jede Schicht, die unter einem obersten dielektrischen Material angeordnet ist, unter Verwendung des ersten leitenden Elements ausgebildet sein, und jede Schicht, die unter dem obersten dielektrischen Material angeordnet ist, kann unter Verwendung des zweiten leitenden Elements ausgebildet sein.
Bei 410 kann eine Schicht mit einer leitenden Komponente unter Verwendung eines zweiten leitenden Elements ausgebildet werden. Zusätzlich zu einem Einschluss einer oder mehrerer leitender Komponenten kann die Schicht auch eine Mehrzahl elektrischer Komponenten (z. B. Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltungen, etc.) und elektrisch isolierende Komponenten aufweisen. Das zweite leitende Element kann bei gewissen Ausführungsformen ein Unedelmetall sein.
Die Dickfilmschaltung, die die bei 410 ausgebildete Schicht aufweist, kann bei 412 in einer zweiten Atmosphäre gebrannt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Atmosphäre inert sein. Das Brennen in der ersten Atmosphäre kann zum Brennen leitender Elemente, die Unedelmetalle aufweisen, wie Kupfer, geeignet sein. Es kann eine Brenntemperatur verwendet werden, die für das zweite leitende Element geeignet ist. Bei einem Beispiel, bei dem das leitende Element Kupfer ist, kann der Brennprozess zwischen etwa 600°C und 700°C ± 10°C ausgeführt werden.
Bei 414 kann ermittelt werden, ob eine zusätzliche Schicht, die das zweite leitende Element verwendet, ausgebildet werden soll. Wenn eine zusätzliche Schicht ausgebildet werden soll, kann das Verfahren 400 zu 410 zurückkehren. Wenn keine zusätzliche Schicht ausgebildet werden soll, kann das Verfahren 400 enden.
Während spezifische Ausführungsformen und Anwendungen der Offenbarung gezeigt und beschrieben worden sind, sei zu verstehen, dass die Offenbarung nicht auf die präzisen Konfigurationen und Komponenten, die hier offenbart sind, beschränkt ist. Demgemäß können viele Änderungen bezüglich der Details der oben beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden, ohne von den zugrundeliegenden Grundsätzen dieser Offenbarung abzuweichen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sei daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Dickfilmschaltung mit mehreren Ebenen, umfassend: ein Substrat; eine erste Schicht, die an dem Substrat angeordnet ist, wobei die erste Schicht eine erste leitende Komponente umfasst, die unter Verwendung eines ersten leitenden Elements ausgebildet ist, wobei das erste leitende Element ein Edelmetall umfasst; eine zweite Schicht, die eine zweite leitende Komponente umfasst, die unter Verwendung eines zweiten leitenden Elements ausgebildet ist, wobei das zweite leitende Element ein Unedelmetall umfasst; und wobei zumindest ein Anteil der ersten leitenden Komponente direkt mit zumindest einem Anteil der zweiten leitenden Komponente in Kontakt steht, so dass die erste leitende Komponente in elektrischer Kommunikation mit der zweiten leitenden Komponente steht.
Dickfilmschaltung mit mehreren Ebenen nach Anspruch 1, wobei das erste leitende Element Silber umfasst.
Dickfilmschaltung mit mehreren Ebenen nach Anspruch 1, wobei das zweite leitende Element Kupfer umfasst.
Dickfilmschaltung mit mehreren Ebenen nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Dielektrikum, das derart konfiguriert ist, eine dritte leitende Komponente von einer aus der ersten leitenden Komponente und der zweiten leitenden Komponente elektrisch zu trennen.
Dickfilmschaltung mit mehreren Ebenen nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Mehrzahl zusätzlicher Schichten, die eine Mehrzahl leitender Komponenten umfassen; und eine Mehrzahl dielektrischer Schichten, die derart konfiguriert sind, zumindest eine der Mehrzahl leitender Komponenten von zumindest einer anderen der Mehrzahl leitender Komponenten elektrisch zu trennen; wobei jede leitende Komponente, die direkt in Kontakt mit einer der Mehrzahl dielektrischer Schichten angeordnet ist, unter Verwendung des ersten leitenden Elements ausgebildet ist.
Dickfilmschaltung mit mehreren Ebenen nach Anspruch 1, wobei die zweite leitende Schicht unter Verwendung einer Dickfilmtinte ausgebildet ist, umfassend: einen organischen Anteil; und einen anorganischen Anteil, der in dem organischen Anteil dispergiert ist, wobei eine Paste definiert ist, wobei der anorganische Anteil metallisches Kupferpulver, Kupferoxid und elementares Bor umfasst.
Verfahren zum Ausbilden einer Dickfilmschaltung mit mehreren Ebenen, umfassend: Ausbilden einer ersten Schicht, die auf einem Substrat angeordnet wird, wobei die erste Schicht eine erste leitende Komponente umfasst, die aus einem ersten leitenden Element ausgebildet wird, wobei das erste leitende Element ein Edelmetall umfasst; Brennen des Substrats und der ersten Schicht in einer ersten Atmosphäre während eines ersten Brennprozesses; Ausbilden einer zweiten Schicht, die eine zweite leitende Komponente umfasst, die aus einem zweiten leitenden Element ausgebildet ist, wobei das leitende Element der zweiten Schicht ein Unedelmetall umfasst; und Brennen des Substrats, der ersten Schicht und der zweiten Schicht in einer zweiten Atmosphäre während eines zweiten Brennprozesses; wobei die zweite Schicht zumindest teilweise direkt auf der ersten Schicht angeordnet ist und die erste Schicht in elektrischer Kommunikation mit der zweiten Schicht steht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Atmosphäre Sauerstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Atmosphäre eine inerte Atmosphäre umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Ausbilden einer Mehrzahl zusätzlicher Schichten, die eine Mehrzahl leitender Komponenten umfassen; und Ausbilden einer Mehrzahl dielektrischer Schichten, die derart konfiguriert sind, zumindest eine der Mehrzahl leitender Komponenten elektrisch von zumindest einer anderen der Mehrzahl leitender Komponenten zu trennen; wobei jede leitende Komponente, die direkt in Kontakt mit einer der Mehrzahl dielektrischer Schichten angeordnet ist, unter Verwendung des ersten leitenden Elements ausgebildet ist.