DE2104735A1 - Auf einem keramischen Substrat auf gebrachter Schaltkreis mit hohem Gute faktor und Verfahren zum Herstellen dessel ben - Google Patents

Auf einem keramischen Substrat auf gebrachter Schaltkreis mit hohem Gute faktor und Verfahren zum Herstellen dessel ben

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DE2104735A1 DE19712104735 DE2104735A DE2104735A1 DE 2104735 A1 DE2104735 A1 DE 2104735A1 DE 19712104735 DE19712104735 DE 19712104735 DE 2104735 A DE2104735 A DE 2104735A DE 2104735 A1 DE2104735 A1 DE 2104735A1
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    • H05K1/092—Dispersed materials, e.g. conductive pastes or inks

Description

"Auf einem keramischen Substrat aufgebrachter Schaltkreis mit hohem Gütefaktor und Verfahren zum Herstellen
Für Schwingungen mit Frequenzen innerhalb des UHF-Bandes bestimmte Schaltkreise wurden bisher unter Verwendung von Koaxialleitungen realisiert. Auch streifenformige, aus Schichten von auf gegenüberliegenden Seiten eines Streifens aus Isoliermaterial aufgebrachten Metallfolien zusammengesetzte Einheiten wurden verwendet. Die Notwendigkeit, billige Schaltkreise herzustellen, die für eine Massenherstellung geeignet sind, brachte jedoch einen Wechsel zu Schaltkreisen, welche im Siebdruck aufgebrachte Schichten aus metallischen Farben auf gegenüberliegenden Seiten einer gebrannten keramischen Platte aufweisen.
Die hierfür bisher verwendeten metallischen Farben weisen im allgemeinen einen hohen Prozentsatz an Silberteilchen auf, die in einem hauptsächlich aus einer Glasfritte, organischen Weichmachern und Lösungsmitteln aufgebauten Bindemittel verteilt sind. Diese Farben sind so aufgebaut, daß sie gute thixotrope Eigenschaften haben, welche sie für den Siebdruck geeignet machen.
Es wurde jedoch gefunden, daß aus diesen Farben hergestell-
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te Schaltkreise gewisse Nachteile haben. Einer dieser Nachteile besteht darin, daß bei hoher Feuchtigkeit eine große Zahl der Schaltkreise durch Silberwanderung ausfällt. Silberwanderung kann zwischen zwei Silberelektroden auftreten, wenn sich zwischen ihnen auf dem Substrat eine ununterbrochene Wasserschicht erstreckt, und wenn sie unter Gleichspannung stehen.
Der die Silberwanderung bei Anlegen eines Gleichstromfeldes verursachende Mechanismus besteht darin, daß Silberionen die Tendenz haben, die Anode zu verlassen, Hydroxylionen aus dem Wasser wandern zur Anode. Silberionen und Hydroxylionen reagieren unter Bildung von Silberoxid miteinander, welches als dunkler Ring entlang der Kante der Anode ausgeschieden wird. Silberhydroxid, welches ebenfalls vorhanden ist, ist in Wasser leicht löslich und erlaubt eine Wanderung der Silberionen zur Kathode, wo das Silber sich entlädt und in dendritischer Form abgeschieden wird.
Ein anderer Nachteil der bisher verwendeten, mit Silberfarben arbeitenden UHF-Schaltkreise liegt darin, daß deren Gütefaktor Q nicht die erforderliche Höhe hat. Ein Grund für den niedrigen Q-Wert liegt darin, daß Schichten aus metallischen Farben unzählige winzige Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweisen. Ein Maß für den Gütefaktor Q eines Schaltkreises ist die Breite des Frequenzbandes, bei dem bei einem gegebenen db-Wert in Abhängigkeit von einem Signal gegebener Stärke Resonanz hervorgerufen werden kann. Für viele Anwendungsfälle ist es erwünscht, daß ein Schaltkreis eine Abhängigkeit innerhalb eines sehr engen Frequenzbandes aufweist, so daß er genau abgestimmt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schaltkreis
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für das UHF-Band zu schaffen, der einen relativ hohen Gütefaktor Q hat. Dabei soll der Schaltkreis teilweise aus mit Silber metallisierter Farbe aufgebaut sein, wobei die Wanderung von Silber jedoch verhindert wird.
Die in den erfindungsgemäßen Schaltkreisen erreichten Verbesserungen werden durch Aufbringen einer dünnen Kupferschicht auf den freien Flächen des aufgebrannten Silberfarben-Schal tkr eise s erzielt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen teilweise fertiggestellten Versuchsschaltkreis auf einer Seite eines keramischen Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig, 2 eine Draufsicht auf die Unterseite des Substrats nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Schaltkreis nach Fig. 1 nach der Fertigstellung; und
Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4,
Zunächst wird das Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Versuchsschaltkreises beschrieben. Im dargestellten Beispiel wird der dielektrische Teil des Schaltkreises von einem keramischen Substrat 2 gebildet, das aus zwei dünnen, aus einer Mischung von 85?6 Aluminium und 15% Calcium-Magnesium-Silikat bestehenden Scheiben zusammengesetzt ist. Nach dem Brennen hat das Substrat eine Dicke von 0,127 cm.
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Auf eine Seite 4 des Substrats wird ein U-förmiges Muster 6 aus leitender Farbe im Siebdruck aufgebracht. Die Abmessungen des aufgedruckten Musters sind so gewählt, daß nach dem Brennen die Breite des U 2,3 cm und die äußere Länge jedes Schenkels 3 cm beträgt. Die Linienbreite beträgt 0,4 cm.
Die Farbmischung ist nicht kritisch, besteht jedoch vorzugsweise aus 75% Silberpulver, 3% Blei-Borosilikatglaspulver, 12% Glyzerinester aus hydrogenisiertem Harz, 2% Nitrocellulose und 8% Butylcarbitolazetat. Im allgemeinen W sollte die Farbe eine Viskosität von 75.000 bis 125.000 cps, gemessen in einem Viskometer des Modells HBF von Brookfield unter Verwendung einer # 4 Spindel bei 10 U0P.M., haben.
Die Farbe wird unter Verwendung eines korrosionsbeständigen Stahlsiebs der Maschenweite 325 auf dem Substrat im
Siebdruck aufgebracht. Die Drähte des Siebes haben einen Durchmesser von 27,94 n. Die Dicke der gedruckten Schicht sollte nach dem Brennen 10,16 bis 15,24 ju betragen. Nach dem Drucken sollte eine genügende Absetzzeit eingehalten werden, damit die Farbpunkte zusammenfließen und eine gleichmäßige Schicht bilden können. Diese Zeit beträgt üb-Ä licherweise 3 bis 5 Minuten, Siebe geringerer Maschenweite können verwendet werden, jedoch wurden weniger gute Ergebnisse erzielt, wenn die Maschenzahl beispielsweise auf 80 gesenkt wird, weil dann unter diesen Bedingungen eine größere Ungleichförmigkeit der Druckschichtdicke erhalten wird.
Auf der gesamten Rückseite 10 des Substrats wird eine ebenfalls aus der erwähnten Farbe bestehende Grundschicht 8 ,aufgebracht.
Die Farbe wird bei etwa 100 bis 150°C getrocknet und bei
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90O0C gebrannt (Abweichungen zwischen 890 bis 92O0C sind zulässig). Die Gesamtzeit im Ofen beträgt von Raumtemperatur bis zur Maximaltemperatur und zurück zur Raumtemperatur etwa 40 Minuten. Nach dem Brennen besteht das leitende Muster zu etwa 95% aus Silber.
Der Schaltkreis hat dann das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Aussehen. Bei einer Resonanzfrequenz von 850 MHz wies eine große Anzahl der Schaltkreise einen mittleren Gütewert Q von 135 auf. In Schaltkreisen für Geräte, wie z.B0 Fernseh-Tuner wird ein höherer Q-Wert gefordert. Außerdem ist 'es, wie oben erwähnt, äußerst wichtig, daß die Tendenz zur Silberwanderung, die in den nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Schaltkreisen vorhanden ist, vermindert oder vollständig eliminiert wird.
Beim Herstellen von erfindungsgemäßen Schaltkreisen besteht der nächste Schritt im Aufbringen einer Kupferschicht 12 auf dem aufgebrannten Silberfarben-Muster 6 auf der Oberseite des Substrats 2 und einer weiteren Kupferschicht 14 auf der aufgebrannten Silber-Grundschicht 8 auf der Unterseite des Substrats 2, wobei das Kupfer durch Elektroplattieren aufgebracht wird. Das Plattierbad kann enthalten:
Kupfersulfat (CuSO^.5H2O) 211 g pro Liter Lösung Schwefelsäure (98% H2SO^) 54 cm3 pro Liter Lösung Wasser (ionenfrei) Rest der Lösung
Geeignete Plattierbedingungen sind: eine Stromdichte von 2 A/64,5 cm zu plattierender, im Siebdruck hergestellter Leitung, wenn das Bad nicht bewegt wird, und eine Plattierzeit von etwa 10 bis 30 Minuten. Wenn das Bad bewegt wird, kann eine Stromdichte von 3,5 A/64,5 cm2 verwendet und die
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Zeit dementsprechend verkürzt werden. Die bevorzugte Plattierzeit in einem nicht bewegten Bad beträgt 10 Minuten,
Die Dicke der Kupferplattierschicht beträgt vorzugsweise 5 bis 12,7 JU.
Nachdem der kupferplattierte Schaltkreis aus dem Plattierbad entfernt ist, wird er sorgfältig in entionisiertem Wasser abgespült, und anschließend getrocknet, indem er entweder 2 Minuten lang zentrifugiert oder gegen ein saugfähiges Gewebe gepreßt und in einem Ofen bei 90 bis 120°C eine halbe Stunde lang einem Luftstrom ausgesetzt wird.
Bei einer Resonanzfrequenz von 850 MHz hatte nunmehr eine große Zahl von geprüften Schaltkreisen einen mittleren Q-Wert von 160. Ein Grund für die Verbesserung der G-Werte liegt darin, daß das Kupfer dazu neigt, die Oberflächenunregelmäßigkeiten der Metallfarbschicht auszugleichen, woraus eine erheblich gleichmäßigere Schicht resultiert.
Eine große Zahl von identischen Versuchs-Schaltkreisen mit der gleichen in der Zeichnung gezeigten Form, den gleichen Abmessungen und nach dem gleichen im Beispiel beschriebenen Verfahren hergestellt, wurden vor und nach dem Kupferplattierschritt auf ihren Q-Wert untersucht. Die Resultate sind in der unten angegebenen Tabelle zusammengestellt.
Bei der Durchführung des Versuchs wurde die Frequenz maximaler Resonanz (maximaler db-Wert am Ausgang) bestimmt. Dieser Wert ist in der Spalte "fmittel" der Tat)elle angegeben. Dann wurde bei derselben Signalstärke am Eingang das Signal von der Mittenfrequenz aus zu höheren und niedrigeren Frequenzen verstimmt und die Frequenzen bestimmt, welche bei einem Schwingungsausgangswert von 3 db unterhalb dem der Mittenfrequenz auftraten. Die zu jeder Mitten-
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sind in den mit 11^j1OCh" 1^ "fniedrie" ^ezeiciine^en Spal
frequenz gehörenden höheren und niedrigeren Frequenzen sind in den mit "f^och" ^31 ten der Tabelle angegeben.
Der Q-Wert für den Schaltkreis wird dann durch Teilen der Mittenfrequenz durch die Differenz der zugehörigen gemessenen höheren und der gemessenen niedrigeren Frequenz gefunden.
Die in den ersten fünf Spalten der Tabelle angegebenen Daten beziehen sich auf die kupferplattierten Beispiele. Zu Vergleichszwecken ist der für jede Schaltkreisprobe gemessene Q-Wert vor dem Plattieren in Spalte 6 angegeben. Die Q-Daten in Spalte 6 wurden in exakt derselben Weise ermittelt, wie dies für die mit Kupfer plattierten Schaltkreise beschrieben ist, jedoch wurden die tatsächlich gemessenen Frequenzwerte aus Platzgründen nicht in die Tabelle aufgenommen.
Spalte 7 der Tabelle zeigt den durch das Kupferplattieren erreichten Anstieg des Q-Werts jeder Probe, Die prozentuale Zunahme variiert wegen der Änderung von Parametern wie Schichtdicke, Schichtgleichmäßigkeit, Substratstörsteilen u.dgl.
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Tabelle
Pro- Nach dem Kupferplattieren fhoch ψ
niedrig		 fH-fN Q Vor dem Kupfer Δ0 Plattier- Zeit
"ben- fmittel plattieren
Q 		bedinffunffen (min)
Nr. 867.57 862.17 5.90 160 4 Volt
864.49 846.05 841.10 4.95 170 3996 1.4 AmpT 30
843.13 847.53 842.73 4.80 176 121 4796 30
1 844.92 846.33 841.28 5.05 167 118 2796 Il 30
2 843.36 845.48 840.35 5.13 164 131 3596 Il 30
3 842.76 844.11 839.09 5.02 167 120 4096 It 30
4 841.33 845.70 840.77 4.93 170 118 1696 It 20
VJI 842.87 845.31 840.20 5.11 164 145 3796 It 20
6 842.58 844.18 838.89 5.29 159 120 3196 It 20
7 841.15 845.22 840.11 5.11 164 121 2596 Il 20
8 842.42 846.19 840.97 5.22 161 130 1296 ti 20
9 843.32 848.93 843.80 5.13 164 144 2796 Il 20
10 846.01 846.28 841.12 5.16 163 129 0996 It 10
11 843.39 848.26 843.02 5.24 161 149 0796 It 10
12 845.28 845.01 839.59 5.42 155 149 0396 ti 10
13 842.10 840.10 834.52 5.58 150 149 0796 ti 10
14 837.00 841.98 836.42 5.56 150 139 2896 ti 10
15 838.82 843.33 837.93 5.40 155 117 1596 ti 10
16 840.31 843.61 838.12 5.49 153 135 3496 η 10
17 840.43 842.61 857.34 5.27 159 113 2996 Il 10
18 839.48 840.51 843.90 6.67 125 123 10% Il 10
19 836.60 840.53 835.00 5.53 151 113 2196 Il 10
20 837.31 124 Il
21 Il
Um die Silberwanderung in nach dem oben beschriebenen Ver^ fahren kupferplattierten Schaltkreisen mit der Silberwanderung in nicht plattierten Schaltkreisen zu vergleichen, wurden zwei Plattensätze mit einem gedruckten Standardelektroden-Wanderungsversuchsmuster hergestellt. Beide Plattensätze wurden mit derselben Silberfarbe bedruckt und denselben Verfahrensschritten unterzogen, mit der Ausnahme, daß der eine Satz mit Kupfer plattiert wurde und der andere nicht.
Beide Plattensätze wurden den folgenden Versuchsbedingungen ausgesetzt:
Versuchszeit I663 Stunden
Versuchstemperatur 40°C
relative Feuchte 95 bis 98%
Spannung zwischen den Platten 150
Die Proben aus der nicht mit Kupfer plattierten Gruppe versagten nach etwa 89,5 Stunden und wurden aus dem Versuchsofen herausgenommen. Der mit Kupfer plattierte Plattensatz zeigte bis zum Abschluß des Versuchs kein Versagen.
Nach dem Kupferplattieren können die Schaltkreise weiter behandelt werden, wodurch ihr Q-Wert nicht wesentlich beeinträchtigt wird. So können beispielsweise bestimmte Gebiete mit Lot versehen werden, so daß Anschlüsse geschaffen werden können. Auch Harzschutzschichten können mit Ausnahme der Stellen, an denen Anschlüsse herzustellen sind, überall aufgebracht werden,,
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Claims (6)

  1. Patentansprüche:
    Θ Schaltkreis mit hohem Gütefaktor Q für den Betrieb bei ultrahohen Frequenzen, bei dem auf einem keramischen Substrat mit zwei Hauptflächen auf eine der Hauptflächen ein Leitungsmuster aus einer Metallpartikel-Glasfritten-Mischung und" auf der anderen Hauptfläche eine Grundschicht aus der Metallpartikel-Glasfritten-Mischung gebrannt sind, gekennzeichnet durch eine mit der freien Fläche des eingebrannten Leitungsmusters (6) und der Grundschicht (8) verbundene Deckschicht aus Kupfer (12, 14), wobei die Kombination des Leitungsmusters (6), der Grundschicht und des Substrats (2) so bemessen ist, daß bei einer bestimmten Frequenz innerhalb des UHF-Bandes Resonanz auftritt.
  2. 2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht (12, 14) etwa 5 bis 12,7|i dick ist.
  3. 3„ Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel-Glasfritten-Mischung etwa 9596 Silber enthält,
  4. 4Q Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r cli gekennzeichnet, daß das keramische Substrat. (2) eine Dicke von 0,127 cm hat,
  5. 5. Verfahren zum Herstellen eines Schaltkreises nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem zwei Hauptflächen auf-
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    weisenden keramischen Substrat zunächst auf einer Hauptfläche ein Leitungsmuster und auf der anderen Hauptfläche eine Grundschicht aus einer Metallpartikel-Glasfritten-Mischung aufgebrannt wird, worauf auf den freien Flächen des Leitungsmusters und der Grundschicht eine Kupferdeckschicht derart aufgebracht wird, daß sie eine integrale Einheit mit dem Leitungsmuster bzw« der Grundschicht bildet.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschichten auf elektrochemischem Weg aufgebracht werden, fj
    109834/1502
    Lee rseite
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