DE1646672A1

DE1646672A1 - Technical ceramic materials

Info

Publication number: DE1646672A1
Application number: DE19651646672
Authority: DE
Inventors: Barton James Earl
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1964-03-12
Filing date: 1965-03-12
Publication date: 1971-07-22
Also published as: JPS4822806B1; GB1100756A

Description

M 1718
Minnesota Mining & Manufacturing Company, St. Paul,.M 1718
Minnesota Mining & Manufacturing Company, St. Paul ,.

Minnesota, V.St.A.Minnesota, V.St.A.

Technische Keramik«erkstoffeTechnical ceramics

Die Erfindung bezieht sich auf äußerst dünne, flache glasierte Berylliumoxyd - oder Berylliumerde- Unterlagen oder -Substrate, die besonders geeignet sind als hohe Hitze abführende Unterteile für integrierte oder vereinigte und elektrische (Stromkreis-)Schalt-Zubehörteile, wie sie bei zunehmender Tendenz für Mikrominiaturisierung von verschiedentliehen elektrischen, elektronischen und mit diesen in Beziehung stehenden Apparaten und Geräten gebraucht werden,The invention relates to extremely thin, flat glazed beryllium oxide or beryllium earth substrates or substrates which are particularly suitable as high heat dissipating sub-parts for integrated or fused and electrical (circuit) switching accessories such as those borrowed with increasing tendency for microminiaturization of various electrical, electronic and related apparatus and devices are used,

Die zunehmende Tendenz zur Mikrominiaturisierung für elektrische und elektronische wie auch magnetische und andere verwandte Apparate und Geräte erteilte hohe Anforderungen an den Basisträger (-Substrat), auf dem die Miniaturbetriebeelemente (z.B. Dioden, Transistoren, Kondensatoren, Widerstände uew.) aufgelegt werden müssen. Historisch waren Keramiken nützlich in technologischen Anwendungen, besondereThe increasing tendency towards microminiaturization for electrical and electronic as well as magnetic and other related apparatus and devices placed high demands on the base carrier (substrate) on which the miniature operating elements (e.g. diodes, transistors, capacitors, resistors, etc.) must be placed. Historically, ceramics were useful in technological applications, special ones

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in Anbetracht ihrer Festigkeitseigenschaften wie auch ihrer isolierenden und anderen elektrischen Qualitäten und Eigenschaften_e Jedoch leiden Keramiken bei der neuerlichen Entwicklungstechnik, zu der die Mikrominiaturisierung gehört, an bestimmten ihnen innewohnenden Mängeln, wie z.B. Rauhigkeit und Unebenheit. Auf Grund ihrer polykristallinen Struktur war es im wesentlichen unmöglich, sie in einen Zustand mit glatter Oberfläche überzuführen, wie dies z.B. für die Metallisierungssxufe mit einem ultradünnen PiIm bei der Fertigung eines elektrischen integrierten oder vereinigten Miniatur-Stromkreis (-Schaltung) nötig ist. Durchführen kann man Aufmetallisieren eines dünnen Filmes beispielsweise durch Metallbedampfen auf Filmdicken bis zu 2000⁰A oder möglicherweise 3000°A, (im Gegensatz zur Ausbildung von relativ dickeren Filmen, wie man sie gewöhnlich notwendigerweise erhielt, wenn nach einem Siebdruckverfahren gearbeitet wird)_o in view of its strength properties as well as their insulating and other electrical qualities and characteristics However _e suffer ceramics with the recent development of technology to which belongs the microminiaturization to them certain inherent deficiencies, such as roughness and unevenness. Due to their polycrystalline structure, it was essentially impossible to convert them into a state with a smooth surface, as is necessary, for example, for the metallization with an ultra-thin PiIm in the manufacture of an electrically integrated or combined miniature circuit (circuit). May carry one to metallize a thin film for example, by metallizing at film thicknesses up (when operating according to a screen printing process, in contrast to the formation of relatively thicker films as they are usually obtained necessarily) to 2000 ⁰ A, or possibly 3000 ° A, _o

Y/ährend Glas andererseits vorzugsweise glatte Oberflächenkennmerkmale besitzt, die für die Metallisierungsstufe für einen dünnen Film bei Fertigung von vereinigten Mikrominiaturkpmponenten erforderlich ist, so weist es doch den Mangel an erwünschten Qualitäten von Wärmebeständigkeit und Wärmeleitung auf, wie diese Eigenschaften insbesondere Berylloxydkeramiken (Beryllerdekeramiken) eigen sind. Des weiteren machen die elektrischen Eigenschaften von Glas dieses Y / hile glass on the other hand, is preferably smooth surface characteristic has features required for the metallization stage for a thin film for production of combined Mikrominiaturkpmponenten, it has nevertheless the lack of desirable qualities of heat resistance and heat conduction on how these properties especially Berylloxydkeramiken (Beryllerdekeramiken) eigen are. Furthermore, the electrical properties of glass make it so

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unzufriedenstellend in vielen hochkritischen Mikrominiaturanwendungen, bei denen eine lange Lebensdauer mit betriebssicherer und stabiler elektrischer Wirkungs- und Arbeitsweise verlangt wird.unsatisfactory in many highly critical micro-miniature applications, which have a long service life with reliable and stable electrical operation and operation is required.

In der noch schwebenden USA-Patentanmeldung mit der Serial Number 301 593 ν. 12. Aug, 1963 werden glasierte Tonerdeträger (-Substrate) gelehrt und für diese Schutz beansprucht. Aber derartige Substrate sind, obgleich sie be- I trächtlich verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeabführung im Vergleich zu Glas aufweisen, nicht zweckdienlich für Verwendungen, bei denen die Wärme aufhäufung zerstreut oder abgeleitet werden muß und doch so groß ist, daß die Wärmeableitungseigenschaften von Tonerde überschritten werden. So wird z.B. allgemein festgestellt, daß dort, wo ein Widerstand auf dem Substrat (Trägerteil) ohne Versagen für merkliche Überbe last ung, tauglich sein muß, weder glasierte Tonerde (Aluminiumoxyd)- noch Glassubstrat für Verarbeiten * der Überbelastung ist, weil derartige Materialien die Wärme nicht gleichmäßig genügend oder genügend schnell abführen können. So wurde für diese hochkritischen oder spezialisierten Mikrominiaturanwendungen herausgefunden, daß glasierte Beryllerdeeubstra.te für Lösen des Problems nützlich sind, das bisher weder von Glasträgern noch von glasierten Tonerdeträgern gelöst wurde. So kann man durch Benutzung von Beryllerde-In the pending USA patent application with serial number 301 593 ν. Aug 12, 1963, glazed alumina carriers (substrates) are taught and protection is claimed for them. But such substrates, while having significantly improved heat dissipation properties compared to glass, are not useful in uses where the heat build-up must be dissipated or dissipated and yet so great that the heat dissipation properties of alumina are exceeded . For example, it is generally stated that where a resistor on the substrate (carrier part) must be suitable for noticeable overloading without failure, neither glazed clay (aluminum oxide) nor glass substrate is suitable for processing * the overload, because such materials are the Cannot dissipate heat evenly enough or quickly enough. Thus, for these highly critical or specialized microminiature applications, it has been found that glazed beryllium substrates are useful for solving the problem that neither glass nor glazed alumina substrates have heretofore solved . By using beryl clay you can

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Substraten diese hochkritischen und spezialisierten Mikrominiatur-Teile fertigen, die man sonst nicht unter Verwendung von Glas, glasierter Tonerde oder von irgendeinem anderen bekannten Trägermaterial (Substratmaterial) herstellen konnte_β Substrates manufacture these highly critical and specialized microminiature parts that otherwise could not be manufactured using glass, glazed clay or any other known carrier material (substrate material) _β

Im wesentlichen angesehen vermittelt die vorliegende Erfindung die Technik mit einem außerordentlich dünnen Substratmaterial, das vorzugsweise nicht dicker als 2,5 mm ist, vorteilhafte elektrische und außergewöhnlich hohe Wärmeabführungs- oder-verteileigenschaften besitzt und doch nicht mit den bisher auf diesem Gebiete bekannten Nachteilen von Materialien behaftet ist.In essence, the present invention conveys the technique with an extremely thin one Substrate material, which is preferably no thicker than 2.5 mm has advantageous electrical and exceptionally high heat dissipation or distribution properties and yet does not with the disadvantages of materials previously known in this field is afflicted.

Von zusätzlicher ausgeprägter Bedeutung ist die Tatsache, daß man die glasierten Tonerdesubstrate gemäß der Erfindung mit vielen verschiedenen Metallen nach bekannten Techniken, wie z.B. durch Bedampfen oder Aufsprühen überziehen kann. Es sind festhaftende ultradünne und gleichmäßige FiImüberzüge von Metall über die glasierte Oberfläche der Substrate möglich. Ausbilden kann man derartige Überzüge auf dem Substrat oh-*ne dessen unerwünschtes Verderben, d.h, ohne Wanderung von Komponenten aus der glasierten Oberfläche des Substrats oder ohne andere Umwandlungen und Veränderungen, die eine Einbuße an gewünschten elektrischen Eigenschaften verursachen. Insbesondere bildet man erfindungsgemgß erwünschte metallüberzogene Strukturen durch Überziehen des glasiertenOf additional distinct importance is the fact that the glazed alumina substrates are according to FIG Coating the invention with a wide variety of metals using known techniques such as vapor deposition or spraying can. They are firmly adhering, ultra-thin and even film coatings metal over the glazed surface of the substrates possible. You can train such coatings on the Substrate without its undesirable spoilage, i.e. without migration of components from the glazed surface of the substrate or without other transformations and changes, which cause a loss in the desired electrical properties. In particular, those desired in the present invention are formed metal-coated structures by coating the glazed

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Tonerdesiibstrats mit einem ultradünnen Film von Tantal oder mit dünnen Filmen von Kichrom, Wolfram oder von anderen Materialien. Alumina substrate with an ultra-thin film of tantalum or with thin films of kichrome, tungsten or other materials.

Ausbilden kann man Strukturen gemäß der Erfindung auch durch direktes Anbringen eines Metallfilmmusters auf eine Beryllerdeunterlage (-basis), - (in diesem Falle kann die Überzugsschicht etwas unregelmäßig sein-), oder auf eine glasierte Beryllerdeunterlage und durch darauffolgendes Überziehen des λ Musters mit einer Glasur für eventuellen Smpfang von sogar weiteren Elementen einer nach Mikrominiatur vereinigten Struktur. Erwünscht sind auch Substrate mit durch diese für Montierungszwecke oder elektrische Anschlüsse vorgeformten Löchern. Erfindungsgemäß kann man alternativ Substrate, in denen Bereiche für vorher schwächer gemacht (z.B. relativ dünner gemacht) für Einstanzen von Lochungen sind, herstellen«, Große Platten oder Bahnen von dem Substratmaterial hiervon kann man liniengerichtet einritzen oder einkerben, so daß ein Benutzer ein Abtrennen zu kleineren Substratstücken vornehmen kann, wie dies für einen Miniaturteil (-Komponente) verlangt wird.Structures according to the invention can also be formed by applying a metal film pattern directly to a beryl clay base (in this case, the coating layer can be somewhat irregular), or to a glazed beryl clay base and then coating the λ pattern with a glaze for possible reception of even further elements of a micro-miniature unified structure. Substrates with holes preformed through them for mounting purposes or electrical connections are also desired. According to the invention, one can alternatively produce substrates in which areas for previously made weaker (e.g. made relatively thinner) for punching holes, can be produced can make smaller pieces of substrate, as required for a miniature part (component).

Obgleich die Substratstrukturen gemäß der Erfindung eine Glasurzusammensetzung (-masse) anteilig enthalten, vermögen sie doch noch hch en Temperaturen, z.B. bis zu annähernd 700° C und sogar noch etwas höheren Temperaturen, ohne Erweichen irgendeinen Teiles der Substratstruktur zu widerstehen.Although the substrate structures according to the invention contain a proportion of a glaze composition (mass), they are able to do so they still have higher temperatures, e.g. up to approximately 700 ° C and even slightly higher temperatures, without softening to withstand any part of the substrate structure.

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So weisen die erfindungsgemäßen Substrate das wünschenswerte Merkmal eines Vermögens auf, gegenüber lötungs- und Kartlötungstemperaturen beständig zu sein (z.B. 150 - 700^#C), wie sie häufig beim Fertigen zu einem Verbund vereinigten elektrischen Teilen (Komponenten) angewendet werden.As substrates of the invention have the desirable feature of a fortune on, to be resistant to lötungs- and Kartlötungstemperaturen (eg 150-700 ^# C) as they are often in fabricating a composite combined electrical parts (components) applied.

Hier liegt ein kritischer Gesichtspunkt für das Substrat in Verbindung mit der winzig kleinen Menge an Glasurmaterial vor, die in der Substratstruktur zugegebn ist. Die Menge an Glasierungsmaterial wird unter etwa 0,0186 g, vor-This is a critical consideration for the substrate in connection with the tiny amount of glaze material before, which is added in the substrate structure. The amount of glazing material is below about 0.0186 g,

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zugsweise unter 0,0155 g je cm glasierter Oberfläche gehalten.2
preferably kept below 0.0155 g per cm of glazed surface.

Trotz der angewendeten winzig kleinen Menge dringt das Glasurmaterial um und zwischen die Kristalle auf der Oberfläche des Beryllerdegrundfilms ein und nivelliert sich auf der Beryllerde ohne Zusammenballung oder Kriechen auf, so daß ein kontinuierlicher Glasurüberzug entsteht, der, wie gefordert, eine ultraglatte Oberfläche aufweist. So werden die erwünschten Eigenschaften der Beryllerde bewahrt und die nichtzufriedenstellende Eigenschaft effektiv korrigiert.Despite the tiny amount applied, the glaze material penetrates around and between the crystals on the surface of the beryl clay base film and levels itself on the beryl clay without clumping or creeping up, making a continuous The result is a glaze coating which, as required, has an ultra-smooth surface. This is how the desired ones become Properties of beryllium preserved and the unsatisfactory Effectively corrected property.

Nun wird die Herstellung der Substratstrukturen gemäß der Erfindung beschrieben. Zuerst bildet man einai Beryllerdefilm aus. Idindestens 98 % dieses Filmes bestehen aus Beryllerde, (geringere Anteilmengen verursachen ein ernstliches Absinken der Wärmeleitung); daher wird der Film zweckdienlich als ein Beryllerdefilm oder als ein Film charakterisiert, derThe manufacture of the substrate structures according to the invention will now be described. First you train a Beryllerdefilm. At least 98 % of this film consists of beryl clay (smaller amounts cause a serious drop in heat conduction); therefore, the film is conveniently characterized as a Beryllerdefilm or as a film that

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im wesentlichen aus Beryllerde (Berylloxyd) besteht. Natürlich können andere Komponenten, wie z.B. Siliciumdioxyd, llanganoxyd und Erdalkalioxyde in sehr geringen Anteilmengen bis zu etwa 2 Gew.-$ von dem Film zugegen sein. Als spezifisches Beispiel wurde ein für Durchführung der Erfindung, als nützlich ein Beryllerdefilm ausgebildet, der nach Analyse folgende anorganische Oxyde aufweist: 99,5 % BeO, 0,40 % MgO, 0,075$ Al₀Oo» 0,025 % SiOo. In geeigneter Weise mischt man das vor-consists essentially of beryl alumina (beryl oxide). Of course, other components such as silica, longanoxide and alkaline earth oxides can be present in very small amounts up to about 2% by weight of the film. As a specific example, a Beryllerdefilm was formed useful for practicing the invention which, after analysis, has the following inorganic oxides: 99.5 % BeO, 0.40 % MgO, 0.075 _{% Al 0} Oo »0.025 % SiOo. Mix the premix in a suitable way

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zugsweise auf die gewünschte Partikelgröße (vorzugsweise unter 44 /u) vorgemahlene und für den Film bestimmte Rohmaterial ("homogen) durch Verarbeiten in einer Kugelmühle mit den organischen Bindemittelbestandteilen und mit einem flüchtigen Verdünnungsmittel, in dem die Bindemittelbestandteile zumindest leicht dispergierbar sind. So besteht ein -typisches System Bindemittel-Verdünnungsmittel aus einem Gemisch von etwa 2,5 Gew.-T, eines Binderharzes, wie z.B. Polyvinylbutyral, 1 T. eines Weichmachers für das Binderharz (z.B. Triäthylenglycolhexoat), 0,2 T. eines Benetzungsmittels (z.B. Alkyl- ä ätherpolyäthylenglycol) und etwa 20 T. eines flüchtigen Lösungs trägers Vehikels, z.B. Toluol), in dem die anderen organischen Bestandteile löslich sind. Viie auf diesem Gebiete bekannt, kann man zufriedenstellend verschiedene Kombinationen oder organische Zuschlagstoffe anwenden.preferably to the desired particle size (preferably below 44 / u) pre-ground raw material intended for the film ("homogeneous) by processing in a ball mill with the organic binder components and with a volatile diluent in which the binder components are at least easily dispersible -typical system binder-diluent from a mixture of about 2.5 parts by weight of a binder resin such as polyvinyl butyral, 1 part of a plasticizer for the binder resin (e.g. triethylene glycol hexoate), 0.2 part of a wetting agent (e.g. alkyl ä ätherpolyäthylenglycol) and about 20 parts of a volatile solvent carrier vehicle, for example, toluene), in which the other organic components are soluble. VIIe known in this field can be applied satisfactorily various combinations or organic additives.

Nach mehrstündigem Behandeln des Schlickers in ei-After treating the slip for several hours in a

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ner Kugelmühle wird dieser entlüftet und, wie z.B. durch Beschichten mit einem Messer, auf einen Träger, wie einen Cellophanstreifen, in gleichmäßiger Dicke wesentlich gleichmäßiger Dichte aufgetragen. Das flüchtige Vehikel wird entfernt, wie durch Trocknen mit erhitzter Gebläseluftj dann wird der getrocknete grüne Keramikfilm gepreßt oder ausgestampft, um Gegenstände, die die gewünschte Außenseiten - oder Umfangskonfiguration haben, v;ie euch mit jedweden Lochungen auszubilden, wie dies für jegliche einzelne besondere Anwendung und Anbringung erwünscht oder erforderlich ist. Die gestanzten Teile werden anschließend auf feuerfesten Brennplatten in einem 64 stündigen Brennzyklus bei 8-stündigem Dauererhitzen (-glühen) bei einer Höchsttemperatur von etwa 155O⁰O gebrannt.In a ball mill, this is vented and, for example by coating with a knife, applied to a carrier such as a cellophane strip in a uniform thickness with a substantially uniform density. The volatile vehicle is removed, such as by drying with heated air blast, then the dried green ceramic film is pressed or stamped to form articles having the desired outer or perimeter configuration, such as you with any perforation, as for any particular particular application and attachment is desired or required. The stamped parts thereafter be fired (annealing of) on refractory setter plates in a 64 hour firing cycle of 8-hour period of heating at a maximum temperature of about 155o ⁰ O.

Wichtig ist das Aufrechterhalten der Gleichmäßigkeit von Zusammensetzung und Dichte für das überzogene Material vor dem Brennen, so daß bedeutende Änderungen in der Dicke des Beryllerdegrundfilms, den man durch das Brennen erhalten hat auf ein Mindestmaß herabgesetzt und sogar verhütet werden. Der Beryllerdefilm selbst muß weniger als 2,54 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, und am meisten erwünscht zwischen O_t25 mm und 1,5 mm dick, sein, bei einer Wölbung (Überhöhung) in jeder Richtung entlang der Filmebene weniger als 0,04 mm je cm LSnge sein. Dieses Erfordernis einer außergewöhnlichen dünnen Beschaffenheit wie auch einer flachen Beschaffenheit muß entschieden It is important to maintain the composition and density uniformity of the coated material prior to firing so that significant changes in the thickness of the beryllium base film obtained by the firing are minimized and even prevented. The Beryllerdefilm itself must be less than 2.54 mm, preferably less than 2 mm, and most desirably between O _t 25 mm and 1.5 mm thick, being, at a camber (camber) in either direction along the film plane is less than 0 .04 mm per cm of length. This requirement of exceptionally thin texture as well as flat texture has to be decided

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eingehalten werden, in geeigneter Weiae durch sorgfältiges Brennen der grünen Beryllerde auf feuerfesten Brennplatten, wie dies bereits angegeben ist.are adhered to, in a suitable manner by carefully burning the green beryl clay on refractory burning plates, as indicated earlier.

Dann bringt man die Glasur über mindestens einer Oberfläche der gebrannten Beryllerdefilrae an· jedoch reinigt man vor dem Glasieren die Beryllerdefilme nach auf dem keramischen Gebiete üblichen Reinigungstechniken, so daß jegliches Fremdmaterial entfernt wird. Man bildet hier Glasurzusammen-Setzungen für die Substrate unter Benutzen von Schlickermassen aus, die. aus Glasfritte und Mühlenzugaben so aufgebaut sind, daß die Endglasur nach dem Brennen nicht mehr als etwa 5 Gew. einer Kombination von N^O und K^O enthält. So wird die Glasur als eine solche gekennzeichnet, die im wesentlichen frei von Natrium- und Kaliumoxyd und besonders vorzugsweise völlig frei von derartigen Oxyden ist. Des weiteren muß der Schlicker im trockenen Zustande einen restlichen Ausgleich an Zuschlagstoffen haben, so daß er bei jeder Temperatur über etwa 700⁰C, aber vorzugsweise nicht über etwa 1200⁰O zu flüssiger Beschaffenheit erschmilzt und reift. Im allgemeinen enthält die aus dem Schlicker gebildete Glasur mindestens etwa 20 Gew.-% PbO, das besonders vom Standpunkte der Bildung der Glasur erwünscht ist, da es beiträgt zur flüssigen Konsistenz für die Glasur während der Reifung bei erhöhten Temperaturen etwas über der unteren Temperatur, bei der fiie Reifung vorsichgeht oder ein-The glaze is then applied over at least one surface of the fired beryller defilrae. However, prior to glazing, the beryller defilme is cleaned according to cleaning techniques customary in the ceramic field, so that any foreign material is removed. Glaze compositions are formed here for the substrates using slip masses that. are constructed from glass frit and mill additions so that the final glaze does not contain more than about 5% by weight of a combination of N ^ O and K ^ O after firing. Thus, the glaze is characterized as one which is essentially free from sodium and potassium oxide and particularly preferably completely free from such oxides. Furthermore, the slip in the dry state has a remaining balance of additives have, so that, preferably but not smelted at any temperature above about 700 ⁰ C over about 1200 ⁰ O to liquid texture and matures. In general, the glaze formed from the slip contains at least about 20% by weight PbO, which is particularly desirable from the standpoint of formation of the glaze as it contributes to the liquid consistency for the glaze during ripening at elevated temperatures slightly above the lower temperature, is careful during ripening or

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■ geleitet wird. Üblicherweise stellt man nicht mehr als etwa 40 Gew.-%> Glasur durch PbO in Rechnung, obgleich Mengen bis zu 50 % nützlich sein können. Die Menge an Kieselsäure hält man gewöhnlich zwischen etwa 30 und $0 Gew.-^, wobei andere Bestandteile in wahlweisen Mengen zugegen 3ind, jedoch gewöhnlich in einem Bereich von etwa 10 % bis 40 %. Gewöhnlich werden mindestens 5 % der Glasur durch ein Oxyd eines zweiwertigen Metalles, wie eines Erdalkalimetalles und im allgemeinen mindestens 3 % durch Be₂O₃ in Rechnung gestellt. Eine geeignete Glasfritte für Verwendung zum Herstellen der Glasur ist eine solche, deren Zusammensetzung, bezogen auf Gewicht, wie folgt ist: 40,7 % SiO₂, 11,1 % B₃O₃, 3,5 % Al₃O₃, 31,6 % PbO, 9,8 % GaO, 1,9 % 1Ia₂O, 1,4 % K₂O. Zu der Fritte der angegebenen spezifischen Zusammensetzung kann man etwas Kailin (z.B. 8 T. Kaolin auf 92 T. Fritte) geben. Ein typischer Kaolin wird etwa 46,5 Gew.-% SiO₂, 38,1 % Al₂O₃, 0,5 % CaO, 0,3 % Na₂O, 0,2 % K₂O, 0,3 % TiO₂, 0,1 fo 2ig0 und etwa 14 % Bestandteile, wie z.B. beim Brennen verlorenes Wasser, enthalten. Bezogen auf das Gewicht von anorganischen Feststoffen für einen Schlicker, mischt man etwa 55 % Wasser, 3 % Gyzerin und 1,5 % Methylcellulose damit und behandelt das Gemisch etwa Std. in einer Kugelmühle, um ihn in eine sehr feine Partikelbeschaffenheit überzuführen, (Natürlich kann man, wie auf diesem Gebiete bekannt, viele verschiedene Schlickerzusatzmate-■ is directed. Typically no more than about 40 wt % glaze from PbO is charged, although amounts up to 50 % can be useful. The amount of silica is usually maintained between about 30 % and $ 0 % by weight with other ingredients present in optional amounts, but usually in a range of about 10% to 40 %. Usually at least 5 % of the glaze is accounted for by an oxide of a divalent metal such as an alkaline earth metal and generally at least 3 % by Be ₂ O ₃ . A suitable glass frit for use in making the glaze is one whose composition, based on weight, is as follows: 40.7 % SiO ₂ , 11.1 % B ₃ O ₃ , 3.5 % Al ₃ O ₃ , 31 , 6 % PbO, 9.8 % GaO, 1.9 % 1Ia ₂ O, 1.4 % K ₂ O. To the frit of the specified specific composition you can add some kailin (e.g. 8 T. kaolin to 92 T. frit) give. A typical kaolin is about 46.5% by weight SiO ₂ , 38.1% Al ₂ O ₃ , 0.5 % CaO, 0.3% Na ₂ O, 0.2 % K ₂ O, 0.3 % TiO ₂ , 0.1 fo 2ig0 and about 14 % constituents, such as water lost during burning. Based on the weight of inorganic solids for a slip, about 55 % water, 3 % gyzerine and 1.5% methyl cellulose are mixed with it and the mixture is treated for about hours in a ball mill in order to convert it into a very fine particle quality (of course you can, as is known in this field, many different slip additives

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rialien und -stoffe anfertigen). Dann siebt man ihn äureh ein Sieb mit einer Öffnung von 0,044 mm (325 mesh) ab, um jedwede restlichen großen Partikel an Keramikmaterialien wie auch jedwedes organisches Fremdmaterial zu entfernen, das gegebenenfalls beim Behandeln in der Kugelmühle in das Gemisch hineingekommen ist. Magnetscheider benutzt man für wesentliches Entfernen von als Nebenbestandteile vorhandenen metallischen Partikeln. Nach Abschluß dieser Behandlung wurde das spezifi-materials and fabrics). Then you sieve it aureh a sieve with an opening of 0.044 mm (325 mesh) remove any remaining large particles of ceramic materials as well as any foreign organic material that may be got into the mixture during treatment in the ball mill. Magnetic separators are used for essentials Removal of metallic particles present as secondary components. After completion of this treatment, the specific

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sehe Gewicht des Schlickers allgemein mit annähernd 1,8 bis 1,85 und seine Viskosität im Bereich von etwa 9-11 Sekunden (unter Benutzung eines No. 5 Zahn cup) festgestellt. Man erzielt beste Ergebnisse, wenn man den angegebenen Bereich von spezifischem Gewicht und Viskosität für den auf die Beryllerdeunterlage aufzubringenden Schlicker aufrechterhält.generally see the weight of the slip at approximately 1.8 to 1.85 and its viscosity in the range of about 9-11 seconds (using a No. 5 tooth cup). One achieves For best results, use the specified range of specific gravity and viscosity for the on the beryl clay backing maintains the slip to be applied.

Einen weiteren veranschaulichten Schlicker kann man wie oben ausgeführt, jedoch mit Ausnahme für den Austausch einer Glasfritte erstellen , die, bezogen auf Gewicht, folgende Zusammensetzung hat: 36,3 % SiO₂, 5,9 % B₂O₃, 4,0 % Al₂O₃, i 43,1 % PbO, 10,4 % CaO und 0,3 % MgO. Dieser Schlicker ergibt eine Glasur der folgenden annähernden Zusammensetzung: 37,6 % SiO₂, 5,5 % B₂O₃, 6,9 % Al₂O₃, 40,0 % PbO, 9,7 % CaO und 0,3 % MgO.Another illustrated slip can be prepared as stated above, with the exception of replacing a glass frit, which, based on weight, has the following composition: 36.3% SiO ₂ , 5.9% B ₂ O ₃ , 4.0 % Al ₂ O ₃ , i 43.1 % PbO, 10.4 % CaO and 0.3 % MgO. This slip gives a glaze of the following approximate composition: 37.6 % SiO ₂ , 5.5 % B ₂ O ₃ , 6.9 % Al ₂ O ₃ , 40.0 % PbO, 9.7 % CaO and 0.3 % MgO.

Noch ein anderer erläuternder Schlicker kann gefertigt werden durch Ersetzen der Pritte und das Kaolins der obi-Yet another illustrative slip can be made by replacing the pritte and kaolin of the obi-

„ _{ft Λ Λ Λ} ORIGINAL INSPECTED" _{Ft Λ Λ Λ} ORIGINAL INSPECTED

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~ 12 -~ 12 -

gen Aufstellung mit annähernd 2 Gew_o-T. Kaolin und 98 Gew_o-T. einer Fritte mit folgender Zusammensetzung/ 35,4 % SiC>2> 5,5 % B₂O₃, 4£> % Al₂O₃, 44,1 % PbO und 11,0 % CaO. Eine typische Analyse für den Bentonit ist 65,3 % SiO₂, 20,8 % Al₂O₃ 2,5 % MgO, 1,0 % CaO, 3,0 % Fe₂O₃, 2,6 % Alkalimetalloxyde, 0,1 % TiOp und etwa 4,7 % an heim Glühen verlorenen Bestandteilen« Diese Formulierung ergibt eine Endglasur folgender annähernder Zusammensetzung: 36,2 % SiO₂, 5,4 % B₂O₃, 4,3 % Al₂O₃, 43,3 % PbO und 10,8 % CaO.gen list with approximately 2 wt _o -T. Kaolin and 98 wt _o -T. a frit with the following composition / 35.4 % SiC>2> 5.5 % B ₂ O ₃ , 4%>% Al ₂ O ₃ , 44.1 % PbO and 11.0% CaO. A typical analysis for the bentonite is 65.3% SiO ₂ , 20.8 % Al ₂ O _3, 2.5 % MgO, 1.0 % CaO, 3.0% Fe ₂ O ₃ , 2.6 % alkali metal oxides, 0 , 1 % TiOp and about 4.7% of components lost during annealing «This formulation results in a final glaze of the following approximate composition: 36.2 % SiO ₂ , 5.4 % B ₂ O ₃ , 4.3 % Al ₂ O ₃ , 43.3 % PbO and 10.8 % CaO.

Man versprüht (oder bringt nach anderen, auf diesem Gebiete bekannten Methoden) den Schlicker selbst auf die Beryllerdeunterlage (-Basis), vorzugsweise bei gleichmäßiger Dicke so an, daß sein Gewicht in glasiertem Zustande inner-The slip itself is sprayed (or applied using other methods known in this field) onto the Beryl alder underlay (base), preferably with a uniform Thickness in such a way that its weight in the glazed state

halb des Bereiches von etwa 0,0124 - 0,0155 g je cm beträgt.half of the range of about 0.0124-0.0155 g per cm.

Wenn die Menge an Glasur, die sich aus dem Schlicker ergibt,When the amount of glaze that results from the slip,

weniger als etwa 0,0124 g je cm beträgt, trifft man ein ungenügendes Überdecken der Beryllerdeoberfläche an und ergeben sich Unregelmäßigkeiten für die glasierte Oberfläche, wohingegen dann, wenn man den Schlicker bis auf einen Betrag weit über der Menge für Vorsehen von 0,0155 oder möglicherweise 0,0186 g je cm von der gebrannten Glasur überzieht, sich ein überschüssiges Aufbilden der Glasur an der Kante der Beryllerdeunterlage ergibt undt unzufriedenstellende ungleichförmige Stellen und Welligkeit der glasierten Oberfläche übermitteltis less than about 0.0124 g per cm, an insufficient one is met Covering the beryllium surface and there are irregularities for the glazed surface, whereas then when you put the slip up to an amount far above the amount to provide 0.0155 or possibly 0.0186 g per cm of the fired glaze coating Excessive build-up of the glaze on the edge of the beryllium backing results in unsatisfactory non-uniformity Places and waviness of the glazed surface conveyed

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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

wird. Ss mögen einige, auf keramischem Gebiete übliche Versuchsreihen erforderlich sein, um die richtige Menge an Schlicker, die pro Flächeneinheit versprüht werden muß, festzustellen, damit der Teilglasurüberzug erstellt wird. Man erzielt aber passend genaue Ergebnisse durch Bestimmen des Gewichtes der ungebrannten aber getrockneten Glasur, die in einem Versprühvorgang angebracht wird, (da die weggebrannten Bestandteile für wenig bedeutsames Gewicht von einem \ getrockneten Schlickerüberzug in Rechnung zu stellen sind).will. Ss some series of tests, which are customary in the ceramic field, may be necessary to determine the correct amount of slip which must be sprayed per unit area in order to produce the partial glaze coating. But appropriately accurate results are obtained by determining the weight of the green but dried glaze, which is mounted in a Versprühvorgang, (are there to provide the ingredients for weggebrannten little significant weight of a \ dried Schlickerüberzug charged).

Uach Sprühüberziehen und Lufttrocknen des Schlikkers brennt man ihn in Luft auf eine Temperatur von annähernd 1020⁰C und tempert ihn etwa 45 - 60 Minuten lang bei dieser Temperatur, so daß ein Eindringen der Glasur zwischen Oberfläche nkr istalle der Beryllerdeunterlage und dem Glasurüberzug und wahrscheinlich auch etwas Umsetzung zwischen der Beryllerdeunterlage und dem Glasurüberzug hervorgerufen wird, wobei man die Bindungsfestigkeit zwischen der Beryllerdeun- g terläge und dem GlasurÜberzug verbessert und auch in keiner Weise die Temperatur in Kreislauf führenden Eigenschaften des fertigen Verbundsubstrates hemmt. Dann läßt man den Gegenstand auf Raumtemperatur abkühlen. Ss ist erwünscht, den gebrannten Gegenstand direkt in einzelnen Plastikbeutel für Verpacken und Transport zu überführen.Uach spray coating and air-drying the Schlikkers to burn it in air to a temperature of approximately 1020 ⁰ C and heat-treating it for about 45 - 60 minutes at this temperature, so that penetration of the glaze between the surface Nkrl istalle the Beryllerdeunterlage and the glaze coating and probably something reaction is caused between the Beryllerdeunterlage and the glaze coating to give g terläge the bond strength between the Beryllerdeun- and the glaze coating improved, and in no way inhibits the temperature of the finished composite substrate in circuit-guiding properties. The object is then allowed to cool to room temperature. It is desirable to transfer the fired item directly into individual plastic bags for packaging and transportation.

Die Oberflächenbeschaffenheit der glasierten Ober-The surface quality of the glazed upper

1 0 9 8 3 0 / U 6 8 ^{BAD OR<G}'NAI.1 0 9 8 3 0 / U 6 8 ^{BAD OR <G} 'NAI.

-H--H-

fläche der Substrate nach dieser Fertigungsart war so glatt, daß sich eine Oberflächenbeschaffenheit von 0,0254 Mikron Center Line Average maximal, gemessen mit einem Talysurf Tester, ergab. Die Dielektrikkonstante des Verbundsubstratgefüges war bei einem Megahertz 6,5* Unter denselben Bedingungen betrug sein Streuungsfaktor und Verlustfaktor 0,000165 bzw. 0,00107^ Bs besaß einen Oberflächenwiderstand bei 100 %iger relativer Feuchtigkeit und 25°c von 1 χ 10 je Quadrateinheit. Der Glasurüberzug ereweichte nicht unter 725⁰C.The surface of the substrates after this type of production was so smooth that a maximum surface quality of 0.0254 micron center line average, measured with a Talysurf tester, resulted. The dielectric constant of the composite substrate structure at one megahertz was 6.5 * Under the same conditions, its dispersion factor and loss factor were 0.000165 and 0.00107 ^ Bs had a surface resistance at 100% relative humidity and 25 ° C of 1 χ 10 per square unit. The glaze coating does not ereweichte under 725 ⁰ C.

Unter Abschreckungsprüfungen (hierzu gehörte das Erhitzen des Gegenstandes auf 55O⁰C, Kühlen auf Raumtemperatur von etwa 23⁰C in 20 Minuten, Erreichenlassen des Gleichgewichtes bei Raumtemperatur, Eintauchen in flüssigen Stickstoff bei etwa -210⁰C und Herausnahme aus dem flüssigen Stickstoff und Erreichenlas3en des Gleichgewichtes bei Raumtemperatur), entstanden keine Fehlstellen in dem glasierten Überzug oder in dem ganzen glasierten Substrat» Die Ergebnisse aus dieser Absehreckprüfung veranschaulichen, daß der lineare Ausdehnungskoeffizient für den glasierten Überzug sich zufriedenstellend demjenigen für den Beryllerdegrundfilm nähert oder diesem entsprach. Beryllerdeunterlagen für die Verbundsubstrate gemäß der Erfindung weisen Wärmeausdehnungskoeffizienten je ⁰C (innerhalb plus oder minus 10 %) von etwa 6,0 χ 10" zwischen 25°C und 300°c und von etwa 7,8 χ 1θ" zwischenUnder quenching tests (this involved the heating of the article to 55O ⁰ C, cooling to room temperature of about 23 ⁰ C in 20 minutes, reaching Let equilibrium at room temperature, immersion in liquid nitrogen at about -210 ⁰ C and removal from the liquid nitrogen and Erreichenlas3en of equilibrium at room temperature), there were no defects in the glazed coating or in the entire glazed substrate. Beryllium earth pads for the composite substrates according to the invention have coefficients of thermal expansion per ⁰ C (within plus or minus 10 %) of about 6.0 χ 10 "between 25 ° C and 300 ° C and of about 7.8 χ 10" between

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25⁰C und 70O⁰C auf. Wäre der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient für die Glasur weit höher als derjenige der Beryllerdeunterlage, dann würde Rißbildung, gekennzeichnet durch feine Risse in der Beryllerdeunterlage, auftreten, wohingegen dann, wenn der Koeffizient für die Glasur niedriger als für die Beryllerde wäre, sie unter Spannung stehen und auch Rißbildung oder sogar winzigkleine Inselausbildung aufweisen würde.25 ⁰ C and 70O ⁰ C. If the coefficient of linear thermal expansion for the glaze were far higher than that of the beryl alumina underlay, then cracking, characterized by fine cracks in the beryl alumina underlay, would occur, whereas if the coefficient for the glaze were lower than that of the beryl alumina, it would and also be under tension Would have cracking or even tiny island formation.

Über das glasierte Substrat kann man Tantal alsTantalum can be used as a

feinen Überzug versprühen und dann nach bekannten Techniken ™ zu einer Schaltungsanordnung umwandeln, zu der andere elektrische elektronische Komponenten (Teile) gehören. Glasierte Beryllerdesubstrate gemäß der Erfindung besitzen eine mechanische Festigkeit weit höher als Glas, sind im Vergleich zu diesem relativ widerstandsfähig gegen Abbröckeln, besitzen höhere Wärmeleitfähigkeit als Tonerde und bekannte Glassorten, können aufgesprühte Tantalmetallüberzüge annehmen und sind verantwortlich dafür, daß ein Kreislauf oaer Schaltung die eigenen Eigenschaften sogar nach langem Gebrauch beibehalte Nach | Versuchsergebnissen für glasierte Beryllerde gemäß der Erfindung kann ein auf dem so glasierten Beryllerdesubstrat niedergeschlagener 1/8Watt-Widerstand auf 6 Watt ohne Versa-" gen überbelastet werden. Weder glasierte Tonerde noch Glas nehmen diese Überbelastung auf, weil sie die Wärme und Hitze nicht gleichmäßig genug oder mit einer genügenden Geschwin-spray fine coating and then using known techniques ™ convert to a circuit arrangement to which other electrical electronic components (parts) belong. Glazed Beryllium substrates according to the invention have a mechanical strength far higher than glass, compared to this is relatively resistant to crumbling, has higher thermal conductivity than alumina and known types of glass, can accept spray-on tantalum metal coatings and are responsible that a circuit oa circuit retains its own properties even after long use After | Test results for glazed beryl alumina according to the invention can be obtained on the beryl alumina substrate thus glazed Depressed 1/8 watt resistor can be overloaded to 6 watts without failure. Neither glazed clay nor glass absorb this overload because they do not transfer the warmth and heat uniformly enough or at a sufficient speed.

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digkeit nicht streuen können,, Kurz gesagt, die glasierten Beryllerdesubstrate gemäß der Erfindung besitzen einzigartige Eigenschaften, die weder glasierten Tonerde- oder Glassubstraten eigen sind; und doch besitzen die erfindungeganäßen Substrate für Gebrauch für Mikrominiaturschaltungen die entscheidenden Anforderungen, (z.B. Glätte und Ebenheit der Oberfläche ohne Erhebungen und dergl. in Kombination mit elektrischen Isoliereigenschaften und außergewöhnlich hohen Wärmeleitfähigkeitseigenschaften). So ist tatsächlich die außergewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Substrate mindestens annähernd 6mal höher als bei der glasierten Tonerde bei 25⁰G und mindestens 4 oaer 5mal höher als bei glasierter Tonerde bei 400⁰C. So wies z.B. bei einem spezifischen Prüfungsversuch ein glasiertes Beryllerdesubstrat κχκ eine Wärmeleitfähigkeit bei 25⁰C von annähernd 0,341 cal/sek/cm/°C auf, während unter denselben Bedingungen ein glasiertes Tonerdesubetrat eine Wärmeleitfähigkeit von 0,041 cal/sek/cm/°C aufwiese Bei 400⁰C war die Gegenüberstellung 0,160 cal/sek/cm/°C für glasierte Beryllerde und 0,025 cal/sek/cm/°C für glasierte Tonerde.In short, the glazed beryllium substrates according to the invention have unique properties which are not inherent in glazed alumina or glass substrates; and yet the substrates according to the invention for use for micro-miniature circuits have the decisive requirements (eg smoothness and flatness of the surface without elevations and the like in combination with electrical insulating properties and exceptionally high thermal conductivity properties). Thus, in fact, the extremely high thermal conductivity of substrates of the invention at least approximately 6 times higher than that of the glazed alumina at 25 ⁰ G and at least 4 OAER 5 times higher than the case of glazed alumina at 400 ⁰ C. For example, pointed at a specific attempt, κχκ a glazed Beryllerdesubstrat a Thermal conductivity at 25 ⁰ C of approximately 0.341 cal / sec / cm / ° C, while under the same conditions a glazed alumina substrate had a thermal conductivity of 0.041 cal / sec / cm / ° C. At 400 ⁰ C the comparison was 0.160 cal / sec / cm / ° C for glazed beryllium and 0.025 cal / sec / cm / ° C for glazed clay.

Palis gewünscht, kann man den Beryllerdefilm der Substrate einritzen oder einkerben, um ihn liniengerichtet zu schwächen, so daß man einer bequemen Durchtrennung des Substrates in kleinere Stücke Rechnung trägt, von denen ein jedes die hier beschriebenen Eigenschaften besitzt. Auch kannIf you want Palis, you can use the Beryllerdefilm Score or notch the substrate in order to weaken it in a straight line so that it is easy to cut through the Substrates into smaller pieces, each of which has the properties described here. Also can

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man In dem Substrat schwächere Bereiche für leichteres Einstanzen von Lochungen dadurch einfügen, daß man den Beryllerdefilm relativ dünner in diesen Bereichen als in Hauptstück des Filmes macht, einfügen.one in the substrate weaker areas for lighter ones Insert punching holes by making the Beryllerdefilm relatively thinner in these areas than in Main part of the film makes paste.

PatentansprücheClaims

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Claims

1. Thin and flat refractory substrate, particularly useful for a base material (base material), on which thin film-like metallic Sehaltungs- and combined electrical items (components) in microminiature, characterized in that the substrate against destruction by heat at temperatures of 70O ⁰ C is resistant and consists essentially of a ceramic film made of burnt beryl alumina, which consists of at least 98 wt .-% beryl alumina, that it has a substantially bubble-free and melted glaze coating on at least one surface, which penetrates the surface of the beryl alumina ceramic and adheres to it It is anchored that the beryllium ceramic film is not more than 2.54 mm thick and has a curvature (elevation) less than 0.04 mm per linear centimeter in any direction along the plane of the film, that the surface of the glaze coating on the beryllium film is essentially free of dimples and giants and is so smooth that it becomes a Talysurf reading of no more than 0.0254 microns (CLA) indicates that the glaze coating is essentially uniform for a weight between 0.0124 and

0.0186 grams per cm surface, and that the composition of the glaze is substantially free of sodium and potassium oxide, that they do not soften at elevated temperatures up to 70o C ⁰

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and εο firmly to the Beryllerdefilm with a coefficient of thermal expansion so adheres according to the Beryllerdefilm that tearing and chipping of the glaze coating from the Beryllerdefilm does not occur if the substrate is as described A deterrent is subjected.

2. Refractory substrate according to claim 1, characterized in that that it is provided with weakening notches

is where the substrate is severed into smaller pieces f each of which meets the requirements of claim 1.

3. Refractory substrate according to claim 1, characterized in that that it is provided with weakened areas of beryllerdefilms that are thinner than the main part of the beryllerdefilms from the substrate, the substrate being relatively easy to provide for perforations in the weakened areas can be pierced.

4. refractory substrate according to claim 1, characterized overall λ indicates that the composition of the glaze, by weight,

contains no more than about 5 % of an oxide from the group of Na ₂ O and K ₂ O, 20-50% PbO, between 30 and 60% SiO ₂ and between 10 and 40 % of other metal oxides, with at least 5% of the glazier are charged by an oxide of a bivalent metal and at least 3 % of the glaze by B _{2 Oo.}

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