DE2127631A1 - Electric thick film circuit - Google Patents
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Description
Elektrische DickschichtschaltungElectric thick film circuit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Dickschichtschaltung aus einein Substrat, auf daß Leiterbahnen und elektrische Bauelemente in Dickschichttechnik aufgebracht sind sowie ein Schalterelement, das mit den Leiterbahnen leitend verbunden ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schalterelementes in einer elektrischen Dickschichtschaltung. ■The present invention relates to a thick film electrical circuit from a substrate, on that conductor tracks and electrical components are applied using thick-film technology, as well as a switch element that connects to the conductor tracks is conductively connected, and a method of manufacturing such a switch element in an electrical thick-film circuit. ■
Aus der US-Patentschrift 3 241 009 sind bereits Schalterelemente mit zwei stabilen Zuständen bekannt, die aus halbleitenden Glaskörpern bestehen. Neben den in dieser Patentschrift angegebenen G-lassystemen aus Arsen, Telbur und Indium oder Arsen, Telbur und Selen, Arsen, Telbur und Brom, Arsen, Thallium und Selen, Vanadium, Sauerstoff und Phosphor, Vanadium, Sauerstoff, Phosphor und Blei, Vanadium, Sauerstoff, Phosphor, Barium sowie Natrium, Bor, Titan und Sauerstoff sind eine Reihe weiterer Gläser bekannt geworden, die je nach Herstellungsverfahren und verwendeten Elementen elementare amorphe Halbleiter, und Halbleiter in Form von kovalenten Bindungen und ionischen Bindungen bilden. Diese bistabilen Schaltelemente können entweder in Form\massiver Glaskörper verwendet werden oder in Form dünner Schichten, die s.B. durch Kathodenzerstäubung entsprechender Gläser oder durch Verdampfung des Glasmaterials und anschließende Kondensation an Substraten hergestellt werden. Solche Schalterelemente können daher entweder in Form diskreter Bauelemente oder in Form von Dünnfilmschaltungen verwendet werden.Switch elements are already disclosed in US Pat. No. 3,241,009 known with two stable states, which consist of semiconducting glass bodies. In addition to the in this patent specified glass systems from arsenic, Telbur and Indium or arsenic, telbur and selenium, arsenic, telbur and bromine, arsenic, thallium and selenium, vanadium, oxygen and phosphorus, Vanadium, oxygen, phosphorus and lead, vanadium, oxygen, phosphorus, barium as well as sodium, boron, and titanium Oxygen, a number of other glasses have become known, depending on the manufacturing process and the elements used elementary amorphous semiconductors, and semiconductors in the form of form covalent bonds and ionic bonds. These bistable switching elements can either be in the form of \ massive Vitreous bodies can be used or in the form of thin layers, which s.B. by cathode sputtering of corresponding glasses or by evaporation of the glass material and subsequent condensation can be produced on substrates. Such switch elements can therefore either be in the form of discrete components or in the form of thin film circuits.
Die vorliegende Erfindung betrifft hingegen eine sog. Dickschichtschaltung. Bei der Herstellung von Schaltungen inIn contrast, the present invention relates to a so-called thick-film circuit. When making circuits in
VPA 9/7 H/10 U Pc/TheVPA 9/7 H / 10 U Pc / The
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Dickschichttechnik werden auf ein Substrat, z.B. einem Keramik- oder Glaskörper in Form de3 Siebdruckverfahrens !»eiterbahnen aus leitfähigen Paßten hergestellt. In ähnlicher Weise können elektrische Bauelemente, wie Widerstände oder Kondensatoren im Wege der Siebdrucktechnik auf das Substrat aufgebracht werden. Man hat auch schon zur Abdeckung der Leiterbahnen oder auch als Kondensatordielektrikum Glaspasten in Dickschichttechnik verarbeitet. Diese aus solchen Glaspasten aufgebrachten nichtleitenden Schichten wurden sodann einer Schmelz- oder Sinterbehandlung bei Temperaturen im Bereich von etwa 500 bis 10000C unterworfen, wodurch das in der Glaspaste enthaltene Bindemittel verdampft und das Glas zu einer einheitlichen Schicht zusammenschmilzt, oder bei Pasten aus Glaskeramik, (entglastes Glas) als polykristalline Schicht aufsintert.Thick-film technology is produced on a substrate, for example a ceramic or glass body, in the form of the screen printing process! In a similar way, electrical components such as resistors or capacitors can be applied to the substrate using screen printing technology. Glass pastes have also been processed using thick-film technology to cover the conductor tracks or as a capacitor dielectric. These non-conductive layers applied from such glass pastes were then subjected to a melting or sintering treatment at temperatures in the range from about 500 to 1000 ° C., whereby the binder contained in the glass paste evaporates and the glass melts together to form a uniform layer, or in the case of pastes made of glass ceramic, (devitrified glass) sintered on as a polycrystalline layer.
Es war hingegen bisher nicht möglich, im Wege der Dickschichttechnik Schalterelemente und Speicherelemente herzustellen. Man mußte hier vielmehr in die sonst fBctiggesteilte Dickschichtschaltung diskrete Schalter oder Speicherelemente einsetzen. In contrast, it was previously not possible using thick-film technology Manufacture switch elements and memory elements. Rather, one had to go into the otherwise efficient thick-film circuit use discrete switches or memory elements.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Dickschichtschaltung anzugeben, die ein ebenfalls in Dickschichttechnik herstellbares Schalterelement enthält. The present invention is therefore based on the object of specifying an electrical thick-film circuit that also has a Contains switch element producible in thick-film technology.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine elektrische Dickschichtschaltung der eingangs genannten Art vor, wobei erfindungsgemäß das Schalterelement aus einem in Dick-.schichttechnik aufgebrachten halbleitenden Glas besteht.To solve this problem, the invention proposes an electrical thick-film circuit of the type mentioned at the outset, wherein according to the invention, the switch element made of a thick-film technology applied semiconducting glass.
Das halbleitende Glas kann ausheinem der bekannten halbleitenden Gläser aus der IV., V. und VI. Gruppe des PeriodischenThe semiconducting glass can be selected from any of the known semiconducting glass Glasses from the IV., V. and VI. Periodic group
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Systems bestehen. Geeignet sind also beispielsweise elementare amorphe Halbleiter sowie amorphe Halbleiter mit kovalenten Bindungen oder ionischen Bindungan.System exist. Elementary amorphous semiconductors and amorphous semiconductors with covalent ones are therefore suitable, for example Bonds or ionic bonds.
Es ist überraschend, daß es auf diese Weise gelingt, in Dickschichttechnik Schalterelemente herzustellen, da man insbesondere nicht erwarten konnte, daß die bekannten halbleitenden Gläser sich nach den Verfahren der Dickschichttechnik verarbeiten lassen.It is surprising that it succeeds in this way, using thick-film technology Manufacture switch elements, as one in particular could not expect that the known semiconducting glasses would be made using the thick-film technique let process.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Schalterelementes in einer elektrischen Dickschichtschaltung,
wobei erfindungsgemäß ein halbleitendes Glas durch Mahlen zerkleinert und mit einem organischen Bindemittel versetzt
und zu einer Paste verarbeitet wird, diese Paste sodann im Wege des Siebdrucks auf ein Schaltungssubstrat aufgebracht
wird und das so bedruckte Substrat in einer neutralen Atmosphäre au;
erhitzt wird.The invention also relates to a method for producing a switch element in an electrical thick-film circuit, wherein according to the invention a semiconducting glass is comminuted by grinding and mixed with an organic binder and processed into a paste, this paste is then applied to a circuit substrate by screen printing and the so printed substrate au;
is heated.
Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von 400 bis 500°CAtmosphere to a temperature in the range of 400 to 500 ° C
Bei der bisher bekannten Verarbeitung von Glaspasten in der Siebdrucktechnik mußten die aus der Glaspaste hergestellten Schichten bis zum Schmelzen oder Sintern (bei Glaskeramik) des Glases erhitzt werden. Dieser Umstand schien das Auftragen halbleitender Gläser im Wege der Siebdrucktechnik auszuschließen, da durch die herkömmliche Behandlung der Gläser deren gewünschte elektrische Eigenschaften verlorgngehen. Überraschenderweise wurde nun festgestellt, daß es möglich ist, die aus halbleitenden Gläsern aufgebrachten Schichten durch Erhitzung auf eine Temperatur von 400 bis 5000C in Argonatmosphäre zu bistabilen Schalterelementen zu verarbeiten.In the previously known processing of glass pastes in screen printing technology, the layers produced from the glass paste had to be heated until the glass melted or sintered (in the case of glass ceramics). This circumstance seemed to rule out the application of semiconducting glasses by way of the screen printing technique, since the conventional treatment of the glasses loses their desired electrical properties. Surprisingly, it has now been found that it is possible to process the layers applied from semiconducting glasses by heating to a temperature of 400 to 500 ° C. in an argon atmosphere into bistable switch elements.
Zur Herstellung der Paste wird als Bindemittel vorteilhafterweise eine Lösung von Äthylcellulose in Terpineol oder vonA solution of ethyl cellulose in terpineol or of ethyl cellulose is advantageously used as a binder to produce the paste
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Nitrozellulose in Butylcarbitolazetat verwendet.Nitrocellulose used in butyl carbitol acetate.
Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt, wenn die Erhitzung nach dem Auftragen der Paste bis auf eine Temperatur im Bereich von 430 bis 4500C erfolgt. Die Erhitzung erfolgt in einer Atmosphäre, die nicht oxydierend sein darf. Vorteilhaft ist eine Erhitzung in einer Argonatmosphäre.Particularly favorable results are obtained if the heating is carried out after applying the paste to a temperature in the range 430-450 0 C. The heating takes place in an atmosphere that must not be oxidizing. Heating in an argon atmosphere is advantageous.
Hach dem Auftragen der Glaspaste kann das aktive Material mit einem Polyesterharz oder Epoxydharz abgedeckt werden.After applying the glass paste, the active material can be used covered with a polyester resin or epoxy resin.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren beschrieben.
Fig.1 zeigt eine Draufsicht auf ein in Dickschichtschaltungs-An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the figures.
Fig. 1 shows a plan view of a thick-film circuit
technik hergestelltes Schalterelement? Fig.2 zeigt einen Schnitt nach der Linie I-I durch das intechnically manufactured switch element? 2 shows a section along the line I-I through the in
Fig.1 dargestellte Schalterelement, Fig.3 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik eines solchen Schalterelements.Fig.1 shown switch element, Fig.3 shows the current-voltage characteristic of such Switch element.
Aus 12 ia Atomprozent Silizium, 10 Atomprozent Germanium, 30 Atomprozent Arsen und 48 Atomprozent Telbur wird zunächst in folgender Weise ein halbleitendes Glas erzeugt. Die Bestandteile werden mechanisch zerkleinert und gemischt und in einemA semiconducting glass is first produced from 12 in general atomic percent silicon, 10 atomic percent germanium, 30 atomic percent arsenic and 48 atomic percent Telbur in the following way. The ingredients are mechanically crushed and mixed and in one
-4 Quarzröhrchen eingeführt und dieses unter Vakuum bei ca. 10-4 quartz tubes inserted and this under vacuum at approx. 10
!Dorr abgeschmolzen. Zum Schutz gegen etwaige Explosionen wird das Quarzröhrchen in ein großvolumiges Quarzrohr eingebracht und in einem Ofen bis auf etwa 12000C erhitzt. Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs ist nicht kritisch, doch sollte bei e^ner Temperatur von ca. 620 bis 6400C, wo das Arsen einen Dampfdruck von 1 Atmosphäre ausübt, eine Verweilzeit eingelegt werden. Anschließend erfolgt die Erhöhung der Temperatur auf 12000C. Diese Temperatur wird bei häufiger Bewegung des Reak-! Dorr melted away. To protect against possible explosions, the quartz tube is inserted into a large-volume quartz tube and heated in a furnace to about 1200 0 C. The rate of temperature rise is not critical, but a dwell time should be inserted at a temperature of about 620 to 640 ° C., where the arsenic exerts a vapor pressure of 1 atmosphere. The temperature is then increased to 1200 0 C. This temperature is increased with frequent movement of the reac-
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tionsgefäßes einige Sekunden gehalten. Hohe Temperaturen und relativ lange Verweilzeit sind notwendig, um eine homogene Schmelze und eine Auflösung des Siliziums in der Schmelze zu erzielen. Sodann wird das. geschmolzene Material durch unmittelbare Überführung des Quarzröhrchens aus dem Ofen in kaltes Wasser schnell abgekühlt. Der glasige Sustand der erhaltenen Substanz ist u.a. an muscheligen Bruchflächen erkennbar. In diesem Zustand zeigt das halbleitende Glas einen hohen spezifischen Widerstand.tion vessel held for a few seconds. High temperatures and a relatively long residence time are necessary to ensure a homogeneous To achieve melt and a dissolution of the silicon in the melt. Then the molten material becomes through immediate Transfer the quartz tube from the oven to cold water, cooled quickly. The glassy state of the preserved Substance can be recognized, among other things, by shell-like fracture surfaces. In this state, the semiconducting glass shows one high resistivity.
Zur Herstellung einer siebdruckfähigen Paste wird das Glas, z.B. in einer Kugelmühle zerkleinert, so daß vorzugsweise Körnchen einer Größe unter 2 /um entstehen. Dieses Pulver wird mit einem organischen Binder versetzt, der z.B. aus 8 Gewichtseinheiten Äthylzellulose und 92 Gewichtseinheiten Terpineol besteht. Pulver und Binder werden zu einer Paste homogenisiert, die für die Drucktechnik günstige rheologische Eigenschaften aufweist. Pur den in der Dickfilmtechnik üblichenTo produce a screen-printable paste, the glass is comminuted, for example in a ball mill, so that preferably Granules less than 2 / µm in size arise. This powder is mixed with an organic binder consisting of 8 weight units, for example Ethyl cellulose and 92 weight units of terpineol consists. Powder and binder are homogenized to a paste, which has favorable rheological properties for printing technology having. Purely the usual in thick film technology
-1 Siebdruck soll diese Paste bei einem Schergefälle von 500 see eine Viskosität von ca. 20 000 cP aufweisen. Die entstandene Paste wird in üblicher Weise z.B. auf einem Aluminiumoxid-Substrat aufgedruckt.-1 screen printing should use this paste at a shear rate of 500 see have a viscosity of approx. 20,000 cP. The resulting paste is applied in the usual way, for example on an aluminum oxide substrate imprinted.
An den Druckvorgang und das Trocknen der Schicht schließt sich eine Wärmebehandlung an. Dabei werden die bedruckten Substrate in einer sauerstoffreien Ofenatmosphäre, z.B. einer Argonatmosphäre auf eine Temperatur zwischen 430 und 450 C erhitzt. Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse kann das aktive Material mit einem Polyesterharz oder Epoxidharz oder einem anderen geeigneten Kunststoff abgedeckt werden.The printing process and the drying of the layer are followed by a heat treatment. Thereby the printed substrates heated in an oxygen-free furnace atmosphere, e.g. an argon atmosphere, to a temperature between 430 and 450 C. To protect against environmental influences, the active material can be coated with a polyester resin or epoxy resin or another suitable plastic to be covered.
Die Figuren zeigen ein auf diese Art und Weise hergestelltes Schalterelement. Das Schalterelement weist auf einem Substrat 1 Elektroden 2 auf, die z.B. aus Gold bestehen können und die in einem Abstand a, der zwischen 25/um und ca. 500 /umThe figures show a switch element produced in this way. The switch element has on a substrate 1 electrodes 2, which can consist of gold, for example, and which are at a distance a of between 25 μm and approx. 500 μm
VPA 9/714/1014 . -6-VPA 9/714/1014. -6-
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liegen kann, gedruckt werden. Über diesen Abstand a wird das aktive Material 3 in einer Dicke von, z.B. 25/um gedruckt. Die Fläche, die dieses aktive Material einnehmen kann, ist unkritisch. Für kleine Geometrien genügen z.B. 150 /um χ 150 /um. Darüber ist zur Abdeckung eine Schicht 4 aus Epoxidharz angeordnet. Das elektrische Verhalten des auf diese Weise erhaltenen. Elements "bei Wechselspannungsbetrieb zeigt Fig.3. Das Element arbeitet als Schalter und zwar unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung. Beginnend im Ursprung der Stromspannungskoordinaten zeigt das Element bei zunehmender Spannung zunächst ohmsches Verhalten und ist hochohmig. Beim Überschreiten einer Schwellenspannung Ug (bei dem geschilderten Element ca. 15 ToIt) erfolgt ein abrupter Wechsel in der Stromspannungscharakteristik, hervorgerufen durch einen Sprung des Probenwiderstandes auf einen kleinen Wert. Im niederohmigen Zustand ergibt sich bei gegebener Größe der Wechselspannung ein hoher Strom, dessen Größe von der Wahl des Strombegrenzungswiderstandes abhängig ist. In diesem Zustand läßt sich die Stromstärke variieren, ohne daß dadurch der Spannungsabfall über.dem Schalterelement wesentlich beeinflußt wird. Beim Unterschreiten eines gewissen Haltestroms I„ (bei dem geschilderten Element ca. 3 mA) tritt das Element in den hochohmigen Zustand zurück. Dasselbe Verhalten zeigt das Element bei einem Polaritätswechsel. Beim Übergang vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand wird ein Bereich des negativen Widerstands durchlaufen, der sichtbar gemacht werden kann durch Wahl eines entsprechend hohen Vorwiderstandee.can be printed. About this distance a becomes the active material 3 is printed in a thickness of, for example, 25 µm. The area that this active material can occupy is not critical. For small geometries, e.g. 150 / um χ 150 / um. Above that is a layer 4 for covering arranged from epoxy resin. The electrical behavior of the obtained in this way. Elements "in AC operation shows Fig.3. The element works as a switch regardless of the polarity of the applied voltage. Starting at the origin of the voltage coordinates, the element initially shows ohmic behavior as the voltage increases and is high resistance. When a threshold voltage Ug is exceeded (approx. 15 ToIt for the element described) takes place an abrupt change in the voltage characteristic caused by a jump in the sample resistance to a small value. In the low-resistance state, a high current results for a given size of the alternating voltage, the size of which depends on the choice of the current limiting resistor. In this state, the current strength vary without affecting the voltage drop across the switch element is significantly influenced. When falling below a certain holding current I "(for the element described approx. 3 mA) the element returns to the high-resistance state. The element shows the same behavior when changing polarity. At the transition from high resistance to low resistance State will traverse a range of negative resistance that can be visualized by choosing an appropriate one high series resistance.
Bei entsprechender elektrischer Pulsung läßt sich das Element auch als Speicher verwenden. Beim Überschreiten einer Schwellspannung erfolgt ein Sprung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand, wobei das Element in dem hochleitenden Zustand bleibt, auch bei Durchgang der angelegten Spannung durch Null. Im Gegensatz zum Schaltmechanismus erfolgt beim Spei-With a corresponding electrical pulse, the element can also be used as a memory. When crossing a Threshold voltage there is a jump from high-resistance to low-resistance State in which the element remains in the highly conductive state, even when the applied voltage passes through Zero. In contrast to the switching mechanism, the storage
VPA 9/7U/1OH -7-VPA 9 / 7U / 1OH -7-
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chervorgang eine Strukturänderung des Materials. Aus dem hochleitenden Zustand läßt sich das Element in den niedrigleitenden Zustand überführen durch Anlegung eines Stromimpulses, der genügend Energie freisetat, um das Material aus den geordneten in den ungeordneten Zustand zu bringen.a structural change in the material. The element can be converted from the highly conductive state to the low conductive state by applying a current pulse, which releases enough energy to bring the material from the ordered to the disordered state.
3 Figuren3 figures
6 Patentansprüche6 claims
VIA 9/714/1014 -8-VIA 9/714/1014 -8-
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