DE19638195A1

DE19638195A1 - Dielektrische Paste

Info

Publication number: DE19638195A1
Application number: DE19638195A
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 1998-04-02
Also published as: JPH10130051A; US5990028A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer dielektrischen Paste bzw. von einem Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Paste nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Es sind schon bei Temperaturen unterhalb 1000°C sinternde dielektrische Pasten bekannt, die aber als notwendigen Bestandteil das Element Blei enthalten.

In den Tagungs- Proceedings des "International Symposium on Microelectronics" aus dem Jahr 1992 ist auf Seite 445 in dem Artikel "New Capacitor Dielectrics Covering K = 2,000-12,000 for Printing and Firing Applications below 1000°C" eine hochdielektrische Paste aufgeführt, die unterhalb 1000°C sintert und auf Blei basierten Perowskiten beruht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße dielektrische Paste bzw. das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben dem gegenüber den Vorteil, eine bleifreie dielektrische Paste mit großer Dielektrizitätskonstante darzustellen, die bei niedrigen Temperaturen sintert und somit in LTCC-Mehrlagenschaltungen verwendbar ist (LTCC = Low Temperature Cofiring Ceramics). Diese bleifreie dielektrische Paste hat eine Dielektrizitätskonstante größer 200 und einen Verlustfaktor kleiner 5%, verbunden mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der den LTCC- Materialien angepaßt ist, die bei niedrigen Temperaturen sintern (bei 800-1000°C) und die in derartig niedertemperatursinternden keramischen Mehrlagenschaltungen Anwendung finden. Blei ist ein giftiges Element und daher aus Umweltschutzgründen zu vermeiden. Auch schaltungstechnische Vorteile ergeben sich durch die Vermeidung bleihaltigen Materials. Die erfindungsgemäße bleifreie hochdielektrische Paste ist auch kompatibel mit Ag-, AgPd-, AgPt-, AgPdPt- und AgAu-Pasten, die zusammen mit den anderen LTCC-Materialien in keramischen Mehrlagenschaltungen gesintert werden. Auch das Schrumpfverhalten der bleifreien dielektrischen Paste ist dem Schrumpfverhalten der LTCC-Materialien angepaßt, die bei der Herstellung keramischer Mehrlagenschaltungen zusammen mit einer solchen hochdielektrischen Paste gesintert werden.

Die Verwendung von Bariumtitanat in der Herstellung der hochdielektrischen bleifreien Paste stellt die Verwendung eines einfach zugänglichen Materials dar.

Weitere bleifreie Zusätze erhöhen die Sinterbarkeit des Materials bei relativ niedrigen Temperaturen und verbessern das Schrumpfverhalten des Materials bei Verwendung in LTCC- Schaltungen.

In vorteilhafter Weise kann die bleifreie dielektrische Paste zur Herstellung mindestens eines Gebiets großer Dielektrizitätskonstante in einer LTCC-Mehrlagenschaltung verwendet werden. Einfache Ausführungsbeispiele sind dabei das Auffüllen dafür vorgesehener Löcher in einer Schicht der keramischen Mehrlagenschaltung mit dieser bleifreien dielektrischen Paste, oder die Darstellung einer Schicht der keramischen Mehrlagenschaltung aus der bleifreien dielektrischen Paste, oder ein lokaler Auftrag der Paste auf eine der Schichten der keramischen Mehrlagenschaltung durch ein Druckverfahren.

Die bleifreie dielektrische Paste geht aus einem einfachen Herstellungsverfahren hervor, das das beispielsweise weit verbreitete Material Bariumtitanat verwendet.

Durch die Verwendung der bleifreien dielektrischen Paste ist also beispielsweise in einfacher Weise die Integration von Kapazitäten, beispielsweise aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit möglich, ohne bleihaltige Materialien zu verwenden. Dadurch, daß die Paste zugleich eine hochdielektrische ist, spart man Platz sowie überhaupt oberflächenmontierte kapazitive Komponenten bei keramischen Mehrlagenschaltungen. Es wird eine dreidimensionale Anordnung aktiver Komponenten, beispielsweise hocheffektiver Filterkomponenten, die aus Gründen der elektromagnetischen Kompatibilität notwendig sind, möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Verwendung der bleifreien dielektrischen Paste in einer keramischen Mehrlagenschaltung, Fig. 2 die keramische Mehlagenschaltung aus Fig. 1 nach dem Sintern, Fig. 3 bis 5 zeigen ein weiteres Verwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen bleifreien dielektrischen Paste.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Am einfachsten läßt sich die erfindungsgemäße Paste über den Herstellungsprozeß beschreiben, weil dadurch die Gründe für die vorteilhafte Wirkung der Paste am besten dargestellt werden können. Zur Herstellung der hochdielektrischen bleifreien Paste wird beispielsweise Bariumtitanat- Nanopulver verwendet. Wesentlich dabei ist, daß das Material bleifrei ist und daß es eine Korngröße D₅₀ zwischen 0,05 und 0,5 µm aufweist. D₅₀ bedeutet dabei, daß 50% der Körner des Nanopulvers einen kleineren Durchmesser haben als den angegebenen Zahlenwert. Als Zusätze werden beispielsweise Cu₂O, CuO, Fe₂O₃, Bi₂O₃, CoO, Sb₂O₃, Ta₂O₃, Mn₂O₃, TiO₂ verwendet. Die Zusätze werden dabei in einem Rahmen von insgesamt 1 bis 15 Gewichtsprozent eingesetzt. Bisher hat man die Sinterbarkeit von Bariumtitanat bei Temperaturen unterhalb von 1000°C durch Zufügen bleihaltiger Gläser erzielt. Durch die Verwendung des feinkörnigen Materials mit der oben genannten Korngröße D₅₀ wird es möglich, ohne Bleizusätze eine sinterbarkeit bei Temperaturen um 900°C zu erzielen. Die Sinterbarkeit und das Schrumpfverhalten des Materials wird durch die Zusätze noch angepaßt. Ferner werden durch geeignetes Mahlen und geeignete Hitzebehandlung (Kalzinieren) nach der Herstellung des Stoffgemisches aus dem Nanopulver und den Zusätzen die Materialeigenschaften optimiert und schließlich durch Zufügen organischer Substanzen (z. B. Acrylharze, Ethylcellulose, Terpineole) eine Paste erhalten. Optimieren bedeutet dabei, die für die Paste beim Einsatz in keramischen Mehrlagenschaltungen erforderliche Sintertemperatur möglichst niedrig zu halten. Eine derartige bleifreie dielektrische Paste kann zusammen mit LTCC-Materialien (low temperature cofiring ceramics) eingesetzt werden. LTCC-Materialien bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxiden und CaO-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂-Glas- oder SiO₂- Al₂O₃-CaO-Glaskompositen. Solche LTCC-Materialien sind dann typischerweise in einem Temperaturbereich zwischen 800 und 1000°C zu sintern. Im Vergleich zu bleihaltigem Material ist die bleifreie dielektrische Paste beim Sintern viskoser. Bei Gegenwart von Silber in einer keramischen Mehrlagenschaltung ergibt sich dadurch eine kleinere Silberdiffusion, wodurch sich die gute Kompatibilität mit Silber erklärt. Dadurch, daß das Ausgangsmaterial zur Herstellung der dielektrischen Paste sehr feinkörnig ist, ergibt sich eine Rißstabilität nach der Versinterung, das Material schrumpft gleichmäßiger beim Abkühlen nach dem Sintern. Es bilden sich auch weniger Poren.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verwendung der bleifreien dielektrischen Paste zur Herstellung mindestens eines Gebiets großer Dielektrizitätskonstante. Eine keramische LTCC-Mehrlagenschaltung wird aus grünen Keramikfolien 1 aufgebaut, in denen an bestimmten vorgesehenen Stellen Löcher 7 eingebracht sind. Auf den Keramikfolien sind Leiterbahnen 4 bzw. Kondensatorelektroden 5 aufgebracht. Die Löcher werden entweder mit einer Metallpaste 2 gefüllt, dann dienen sie als elektrische Durchkontaktierung durch eine Keramikschicht hindurch. Alternativ können nun diese Löcher 7 auch mit einer dielektrischen Paste gefüllt werden, speziell mit der erfindungsgemäßen bleifreien hochdielektrischen Paste 3. Zwischen den Kondensatorelektroden 5 läßt sich auf diese einfache Weise ein Gebiet mit hoher Dielektrizitätskonstante ausbilden, das durch die mit der hochdielektrischen Paste 3 ausgefüllten Löcher 7 realisiert ist. In Fig. 2 ist die keramische Mehrlagenschaltung nach dem Sintervorgang gezeigt. Die Keramikfolien 1 haben sich dabei zur keramischen Mehrlagenschaltung 6 "verschmolzen". Die Leiterbahnen 4 sind über die Durchkontaktierungen 8 durch eine oder mehrere Keramikschichten hindurch mit weiteren Leiterbahnen elektrisch verbunden bzw. über Gebiete 10 mit großer Dielektrizitätskonstante in kapazitivem Kontakt mit einer darüber oder darunter angeordneten weiteren Leiterbahn. Alternativ kann das Gebiet 10 mit großer Dielektrizitätskonstante auch als eine ganze Schicht der keramischen Mehrlagenschaltung aus der bleifreien dielektrischen Paste ausgebildet werden. Gemäß Fig. 3 kann die bleifreie dielektrische Paste 3 auch lokal in einem Druckverfahren aufgetragen werden. Dabei werden zunächst auf eine grüne Keramikfolie 1 eine Leiterbahn 4 und eine Kondensatorelektrode 5 angeordnet, auf die Kondensatorelektrode 5 lokal die bleifreie dielektrische Paste 3 aufgetragen und anschließend eine weitere Kondensatorelektrode 5 aufgebracht. In geeigneter Weise vorgefertigte grüne Keramikfolien 1 mit Durchkontaktierungen 8 und Leiterbahnen 4 werden in einem weiteren Schritt gemäß Fig. 4 auf die Anordnung gemäß Fig. 3 aufgebracht. Nach dem Sintervorgang erhält man eine keramische Mehrlagenschaltung 6 gemäß Fig. 5 mit einem beliebig lokal angeordneten Gebiet 10 mit großer Dielektrizitätskonstante. Die Anwendung der erfindungsgemäß bleifreien dielektrischen Paste ist selbstverständlich nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erweist sich immer dort als vorteilhaft, wo ein hochdielektrisches Material zur Verfügung stehen muß, das bei Temperaturen unterhalb 1000°C sintert, ein angepaßtes schrumpfverhalten bzw. einen angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und dabei kein Blei enthält.

Claims

1. Dielektrische Paste zur Verwendung in LTCC- Mehrlagenschaltungen (6), dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung ein bleifreies Stoffgemisch verwendet wird, das im wesentlichen aus einem bleifreien Stoff mit großer Dielektrizitätskonstante besteht, und daß der bleifreie Stoff aus Körnern mit einer Korngröße D₅₀ zwischen 0,05 und 0,5 Mikrometern besteht.

2. Paste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff aus Bariumtitanat besteht.

3. Paste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste unter Verwendung einer oder mehrerer der Verbindungen Cu₂O, CuO, Fe₂O₃, Bi₂O₃, CoO, Sb₂O₃, Ta₂O₃, Mn₂O₃ oder TiO₂ als Zusatz in einem Bereich von insgesamt 1 bis 15 Gewichtsprozent hergestellt ist.

4. Verwendung der Paste nach Anspruch 1, 2 oder 3 zur Herstellung mindestens eines Gebiets großer Dielektrizitätskonstante (10) in einer aus Schichten aufgebauten, Keramikschichten aufweisenden keramischen Mehrlagenschaltung (6).

5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Gebiet (10) aus einem Auffüllen vorgesehener Löcher (7) in einer Keramikschicht mit der Paste hervorgegangen ist.

6. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Gebiet (10) eine Schicht der keramischen Mehrlagenschaltung aus der Paste aufweist.

7. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet (10) aus einem lokalen Auftrag der Paste, insbesondere durch ein Druckverfahren, auf eine der Schichten der keramischen Mehrlagenschaltung (6) hervorgegangen ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer bleifreien dielektrischen Paste zur Verwendung in LTCC-Mehrlagenschaltungen, wobei

- von einem bleifreien Nanopulver mit einer Korngröße von D₅₀ zwischen 0,05 und 0,5 Mikrometern ausgegangen wird,
- zu dem wahlweise eine oder mehrere der Verbindungen Cu₂O, CuO, Fe₂O₃, Bi₂O₃, CoO, Sb₂O₃, Ta₂O₃, Mn₂O₃, TiO₂ in einem Bereich von insgesamt 1 bis 15 Gewichtsprozent hinzugefügt werden,
- wobei in einem weiteren Schritt das Stoffgemisch durch weiteres Mahlen, Hitzebehandlungen und Zufügen organischer Substanzen behandelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bleifreie Nanopulver aus Bariumtitanat besteht.