DE19638195A1 - Dielektrische Paste - Google Patents
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Description
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.
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.
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.
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 (9)
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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: ROETHLINGSHOEFER, WALTER, 72766 REUTLINGEN, DE SEIBOLD, ANNETTE, 71277 RUTESHEIM, DE NISHIGAKI, SUSUMU, DR., NAGOYA, JP |
|
8131 | Rejection |