DE2142646A1 - Verwendung einer Metallisierungspaste zur Herstellung von Mikroschaltungen - Google Patents

Verwendung einer Metallisierungspaste zur Herstellung von Mikroschaltungen

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DE2142646A1 DE19712142646 DE2142646A DE2142646A1 DE 2142646 A1 DE2142646 A1 DE 2142646A1 DE 19712142646 DE19712142646 DE 19712142646 DE 2142646 A DE2142646 A DE 2142646A DE 2142646 A1 DE2142646 A1 DE 2142646A1
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Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF
PATENTANWÄLTE
8 MÜNCHEN 8O. MAUERKIRCHERSTR. 48
Dr. Berg DipUng. Stapf. 8 MOndiw 80, Mauarfcircharstroge 45 Ihr Schreiben Unser Zeichen Datum C Oi AU»· ·"· ·
Anwalt3akte 21 428
Be/Reh
United Kingdom Atomic Energy Authority London S.W.1 / England
"Verwendung einer Metallisierungspaste zur Herstellung
von Mikroschaltungen"
Diese Erfindung betrifft Metallisierungspasten, die zum Siebdruck von Mikroschaltungen auf keramischen Substraten geeignet sind, die nach Brennen Nachbildungen elektrisch leitender Elemente bilden, die fest an den Substraten haften.
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Es stehen zahlreiche MetallisierungsZubereitungen zur Verfügung, die in Pastenform zur Herstellung elektronischer Schaltungen durch Siebdruckverfahren zur Verfügung stehen, wobei jedoch diese Zubereitungen nach dem Brennen leitende Elemente bilden, die im allgemeinen geringe Adhäsion bzw. Haftung mit den keramischen Substraten aufweisen.
Beispielsweise ist das Problem der Adhäsion in der Britischen Patentschrift 1 144 930 angesprochen, die ebenso wie die Britische Patentschrift 1 004 653 MetallisierungsZubereitungen betrifft, die Legierungen von Edelmetallen anstelle von Zubereitungen mit dem Gehalt von nichtlegiertem Gold oder Silber enthalten. Die dort beschriebenen Zubereitungen, die auf vorgebrannten keramischen Substraten, um darauf elektrische Elemente zu bilden, ver?/endet werden, enthalten pulverisiertes Glasbindemittel, fein verteilte Edelmetalllegierungspartikel und einen inerten Träger, wobei der Zweck des Glasbindemittels darin besteht, die Edelmetallpartikel auf einem keramischen Substrat zu befestigen, wozu eine Brenntemperatur verwendet v/erden muß, die das glasartige Bindemittel zur Schmelze bringt und die Benetzung des keramischen Substrats bewirkt. Es ist dort festgestellt,
daß bei Edelmetall-MetallisierungsZubereitungen im. allgemeinen eine höhere Adhäsion bei höheren Brenntemperaturen erhalten werden kann, daß aber, wenn man Temperaturen in der Höhe des Schmelzpunktes der Edelmetallpartikel oder darüber beim Brennen verwendet, die Metallpartikel sich, in KU-
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gelchen zusammenballen, ,vobei sie nicht kontinuierliche aufgebrannte Elemente und damit fehlerhafte elektrische Leitungen bilden. Um daher die Bildung von Metallkügelchen zu vermeiden, müssen die häufiger zur Verfügung stehenden unä weniger teuren Edelmetalle -.vie Gold und Silber, die einen Schmelzpunkt bei 1O63°C, bzw. ?60°C aufweisen, enthaltenden Zubereitungen Glasbindemittel entnalten, die unter iiesen Temperaturen schmelzen und Elemente bilden, die nur eine mäßige Haftung bei den möglichen Brenntemperaturen auf»eisen. Um höhere Brenntemperaturen, beispielsweise über 12000C zu verwenden, massen die metallisierenden Zubereitungen notwendigerweise aus ivietallpulvern von Pt, Pd u:id anderen teuren, hochschmelzenden Edelmetallen zusammengesetzt sein und die voraus erwähnter. Pat ent 3 cnr if ten besenreiben aie arbeitsaufwendige Verwendung von Edelmetalllegierungen, d.h. Pd-Ag, Pd-Au, Pt-Au, A0-Au, Ag-Pt, Pd-Pt zur Bildung einer ßeihe von metallisierenden Zubereitungen, wobei die Zubereitungen zur Verwendung über einen Temperaturbereich geeignet sind.
Die Britische Patentschrift 739 543 beschreibt ein Verfahren zur Verbindung keramischer Gegenstände miteinander oder mit Metallgegenstanden unter ,Bildung von Bindungen hoher Festigkeit. Das Verfahren besteht darin, da.^ man ein Gemisch von pulverisiertem Silberoxyd ur.d/oder Silber und Kupferoxyd und/oder Kupfer zwischen Gegenständen aufbringt und dann das Gemisch in einer ni o_.treauzierenden Atmosphäre
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BAD ORIGINAL
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z.B. Luft, durch Erhitzen auf eine Temperatur über 9450C zum Schmelzen bringt. Die hohe Festigkeit der Bindungen, die nachfolgend nach Kühlen, bewirkt durch hohe Haftung, erhalten wird, wird der stark benetzenden Wirkung des Kupferoxyds oder der gebildeten Ag-CUpO-Legierung zugesprochen. Es wurde nunmehr gefunden, daß wenn Kupferoxyd mit Silber oder Gold, beispielsweise in MetallisierungsZubereitungen, die ein glasartiges Bindemittel enthalten, verwendet wird, eine ausgesprochene Erhöhung der Bindefestigkeit von aufgebrannten Elementen dann erreicht werden kann, wenn solche Zubereitungen bei Temperaturen bei oder über dem Schmelzpunkt der Metallphase gebrannt werden, und unerwartet wurde gefunden, daß die Metallpartikel sich nicht bei diesen Temperaturen zusammenballen, und es war überraschend, daß das Vorhandensein des geschmolzenen Bindemittels die Me.tallphase oder deren Partikel nicht isoliert und ihre Benetzungswirkung nicht beeinträchtigt, wie dies zu erwarten wäre. Bei den metallisierenden Zubereitungen wird im allgemeinen die Brenntemperatur so gesteuert, daß sie nur die Zusammensinterung der Edelmetallkomponente ermöglicht und die Haftfestigkeit wird im wesentlichen allein durch die glasartige Phase gebildet. Es ist jedoch und im Gegensatz zu den Lehren der Patentschrift 1 144 930 klar, daß leitende Elemente sowohl mit Kontinuität, als auch hoher Haftung, aus Zubereitungen erhalten werden können, die bei die Schmelztemperatur der Metallphase überschreitenden Temperaturen gebrannt werden, wenn solche Verbin-
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düngen Kupferoxyd enthalten.
Weiterhin können hohe Haftungswerte erreicht werden, wenn man Zubereitungen auf Ag- oder Au-Basis in Luft "bei herkömmlichen Brenntemperaturen, d.h. Temperaturen, die 1100 ö im allgemeinen nicht überschreiten, brennt, wobei die Zubereitungen kein Brennen bei höheren Temperaturen über 12000C notwendig machen, wobei diese Temperatur bei den teuren MetallisierungsZubereitungen für hohes Brennen nach dem Stand der Technik erforderlich ist und wenigstens ein Teil der Zubereitungen unter Vakuum gebrannt werden müssen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Metallisierungspaste, die ein Hitze verdampfbares inertes, flüssiges Medium umfaßt, das in Pulverform wenigstens einen Bestandteil aus einem Edelmetall, einer Legierung eines Edelmetalls, einem Oxyd eines Edelmetalls und/oder einem Oxyd einer Edelmetallegierung, wenigstens einen Bestandteil aus Kupfer und/oder Kupferoxyd und ein glasartiges Bindemittel enthält, wobei das Bindemittel eine geringere Schmelztemperatur als die Schmelztemperatur der Edelmetall-Kupferoxydlegierung hat, die beim Schmelzen der Pulverbestandteile der Paste gebildet wird.
Das Edelmetall kann Ag oder Au und die Edelmetallegierung eine Ag-Au-Legierung sein. In dieser Beschreibung ist unter der Bezeichnung Edelmetall ein Metall der Gruppe Ru, Rh,
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Pd, Os, Ir, Pt, Au und Ag zu verstehen.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Bildung eines elektrisch leitfähigen Elements auf einem keramischen Substrat zur Verfügung, wozu man eine Nachbildung des Elements auf dem Substrat unter Verwendung einer metallisierenden Paste, wie voraus angegeben, bildet, die gebildete Wachbildung trocknet, die getrocknete Nachbildung in einer nichtreduzierenden Atmosphäre, die Luft sein kann, bei einer Temperatur, die nicht geringer ist als die Schmelztemperatur der Edelmetall-Kupferoxydlegierung, brennt, und die gebrannte Nachbildung unter Bildung des leitenden Elements verfestigt. Die Nachbildung kann durch Siebdruck gebildet werden. Es wird bevorzugt, die getrocknete Nachbildung bei einer Temperatur zu brennen, die nicht geringer ist als die Schmelztemperatur des Edelmetallbestandteils.
Weiterhin schafft die Erfindung ein keramisches Substrat mit einem elektrisch leitenden Element, das darauf nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
Die vorliegende Erfindung wird weiter in Einzelheiten beispielsweise erläutert:
Eine Metallisierungspaste wird durch Mischen von Silberoxyd, Kupfer(I)-oxyd und eines glasartigen Bindemittels , mit einem hitzeverdampfbaren, inerten, flüssigen Medium -
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hergestellt. Die Paste enthält diese Materialien in den folgenden !«engen: Silberoxyd 11,25 g, Ku-1-fer( I)-oxyd 12,5g, glasartiges Bindemittel 1,25g, flüssiges Medium-8,6g.
Die Paste v/urde durch ein Scliabloniersieb auf ein keramisches Substrat unter Bildung einer Nachbildung des Sieb- ·" mustere auf dem Substrat gedruckt, wobei ein typisches Siebmuster einer fleihe von elektrischen Leitern entspricht, die eine !,likroschalturig bilden. Nach dem Siebdruck der Mikrosehaltung--7achbiidung wurde diese getrocknet und dann in Luft gebrannt.
Die Brenntemperaturen werden vorzugsweise durch die Schmelzpunkte der Edelmetallkomponenten bestimmt. Pur Ag, wie in dem vorliegenden Beispiel, das einen Schmelzpunkt von 96O0C hat, ist 100O0C und für Au, das einen Schmelzpunkt von 10630C hat, 110O0C eine geeignete Temperatur. Die für Ag-Au-Legierungen und Oxide von Ag, Au und deren Legierungen geeignete Temperaturen, liegen ähnlich über den entsprechenden Schmelztemperaturen. Geeignete glasartige Bindemittel, die in Ag/Cu~O oder Au/CUpO Metalliaierungspasten verwendet werden und die eine Schmelztemperatur haben die geringer ist als die Edelmetall-Kupferoxydlegierung, sind Owens-Illinois glass Hr. 01328 oder Ramsden glass Nr. F420. Es sind dies Glasfritten, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm (325 mesh) laufen. Ein geeignetes, inertes flüssiges Medium ist Blythe Nr. 465 (Blythe Colour Work3 Ltd.
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das flüssige Medium verdampft während dem Trocknen und dem Anfangsbrennen. Ein geeignetes keramisches Substrat zur Verwendung mit der Metallisierungspaste der Erfindung, ist Aluminiumoxyd. Bei der Brenntemperatur liegt die gebildete Edelmetall-Cu20-Legierung in geschmolzenem Zustand vor und steht mit der Substrat ob erflü.ehe in Kontakt und benetzt diese. Es wird angenommen, da5 beim Anfangskühlen sich die Edelmetallphase als kontinuierliche, leitende Einheit verfestigt, und daii diese verfestigte Einheit, die an dem Substrat haftet, darauf mit dem weiteren Kühlen gefroren wird, wenn sich die Glasphase verfestigt. Es wird demgemäß angenommen, daß das Schmelzen der Edelrnetallphase im Gegensatz zu den Lehren nach dem Stand der Technik, bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens, zur Entwicklung der hohen Adhäsion und Leitfälligkeit wesentlich ist.
Die Metallisierungspasten nach der vorliegenden Erfindung können hinsichtlich ihrer Zusammensetzung weitgehend variieren. Die Pasten können nur 1$ Cu?0 oder so viel wie 75$ Cu2O (66,6$ Kupfer) enthalten. Ein geringer Glasbindemittelgehalt bis zu ungefähr 5$ erleichtert das Schweißen bzw. Löten der Metallstromleitungen auf die vorgeformten Leitungselemente, wobei jedoch starke Bindungen auch mit einem Bindemittelgehalt über 30$ erhalten wurden. Für Leiter mit bestem, d.h. hell metallischem Aussehen, sollte der Cu2O- oder Cu-Gehalt ungefähr 50$ nicht überschreiten und der Bindemittelgelialt sollte unter 10$ gehalten werden.
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Der Bedarf an der vorliegenden Metaliisierun.japaste ergibt sich im besonderen bei der Herstellung von Mikroschaltungen, bei denen Muster von elektrischen Leitern und Widerständen durch Siebdruck hergestellt und gebrannt werden, wobei jedoch das Verfahren allgemeine Anwendung bei elektronischen Schaltungen gefunden hat, wo siebgedruckte, leitende Elemente auf keramischen Substraten aufgebracht werden und diese eine hohe Adhäsion aufweisen müssen. Um elektrisch und mechanisch leitende Mikroschaltungselemente auf einem Substrat mit denen von einem oder mehreren anderen Substraten zu verbinden, ist es notwendig, Metalleitungen ziemlich fest an dem Rand jedes Substrats und einen Teil der Mikroschaltung bildenden siebgedruckten und gebrannten Verbindungspolstern bzw. -stellen zu befestigen. Ur.! sicnerzustellen, daß diese Leitungen mechanisch sicher sind, müssen die gebrannten Verbindungsstellen hohe Haftung auf dem Substrat aufweisen. Darüberhinaus sollten die gebrannten Verbindungsstellen nicht durch Verbindungsverfahren, wie durch Löten oder Verschweißen gemindert werden. Zur Verwendung bei den Verbindunga- bzw. Anschlußstellen geeignete Schweißmaterialien gehören Au und Ag oder Au-Ag-Legierungen.
In einem Beispiel wurden gold-platierte Kovar (eingetragenes Warenzeichen) Leitungen auf die Verbindungsstellen einer vorgedruckten und gebrannten Ag-CUpO-Mikroleitung unter Verwendung eines Aluminiumoxydsubstrats geschweißt,
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7/obei das Schweißmaterial Ag und die Sch',veii;temperatur 1000 C war. Bei einer nachfolgenden "Abzieh"-Untersuchung, die dafür ausgelegt war, die adhilaive Festigkeit zu prüfen, wurde eine durchschnittliche Bindefestigkeit von 350 kg/cm^ festgestellt, bevor Bruch in der geschweißten Verbindung auftrat. Bei einer Festigkeitsuntersuchung trat Bruch in der leitung bei 700 kg/cm auf. Die Festigkeit derartiger Bindungen überschreitet die ähnlicher Bindungen für Verbindungsstellen, .vie sie von im Handel erhältlichen Pasten, die Mo/Mn-G-emische enthalten (siehe nachfolgend) besonders hinsichtlich der "Abzieh"-Untersuchungsergebnisse.
Es wurden bisher andere metallisierende Pasten zur Herateilung hoch haftender, leitender Elemente verwendet, wobei sie im allgemeinen Molybden-Mangangemische enthalten. Die Gemische dieser Zubereitungen, die im allgemeinen SOfo Mo:2G$ Mn enthalten, machen es notwendig, daü die Pasten bei ihrer Verwendung in einer gesteuerten Atmosphäre von feuchtem Wasserstoff, im allgemeinen 30 Minuten bei IpOO0C gebrannt werden müssen, lieben dem Machteil, dais man eine gesteuerte Atmosphäre, eine höhere Brenntemperatur und eine längere Brennzeit im Vergleich zu den luftgebrannten Pasten der Erfindung verwenden muiä, nehmen die so gebildeten Elemente nicht leicht Lötungen oder Schweifungen wie die gebrannten Pasten der Erfindung an, und es muß eine Schicht gewöhnlich aus Hi oder Gu darauf als Zwischenmaterial abgelagert werden.
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Wegen der allgemein bekannten Wanderung der Ag-Ionen in elektrischen Feldern bei Bedingungen hoher Feuchtigkeit, was einen Kurzschluß der Schaltung zur Folge hat, wird es vorgezogen, Au oder Au-Legierungsi-ulver in den vorliegenden metallisierenden Pasten für solche Zwecke zu verwenden, wo hohe Feuchtigkeit vorherrscht.
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Claims (12)

Patentansprüche :
1. Metallisierungspaste gekennzeichnet
durch den Gehalt eines hitzeverdampfbaren, inerten, flüssigen Mediums, das in Pulverform wenigstens einen Bestandteil aus einem Edelmetall, einer Edelmetallegierung, einem Oxyd eines Edelmetalls· und/oder einem Oxyd einer Edelmetallegierung, wenigstens einen Bestandteil aus Kupfer und/ oder Kupferoxyd und ein Glasbindemittel enthält, wobei das Bindemittel eine Schmelztemperatur hat, die geringer ist
als'die Schmelztemperatur der Edelmetall-Kupferoxydlegierung, welche beim Schmelzen der Pulverbestandteile der
Paste gebildet wird.
2. Metallisierungspaste gemäß Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet , daß der zuerst erwähnte bestandteil aus Ag oder Au, Ag-Au-Legierung und/oder Ag-oder Au-Oxyd besteht.
3. Metallisierungspaste gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Kupfergehalt als Metall oder Oxyd bis zu ungefähr
67 Gew.'yi der Paste beträgt.
4. Metallisierungspaste gemäß Anspruch 3 dadurch
gekennzeichnet , daß der Kupfergehalt nicht grosser als ungef. 50>ί und das Glasbindemittel in Mengen
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vorhanden ist, die geringer als ungefähr 10 Gew.$ der Paste sind.
5. Verfahren zur Bildung eines elektrisch leitenden Elements auf einem keramischen Substrat dadurch g e k e η η ■ ze ichnet, daß man eine Nachbildung des Elements auf dem Stiustrat unter Verwendung einer Metallisierungspaste gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche bildet, die gebildete Nachbildung trocknet, die getrocknete Nachbildung in einer nichtreduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur brennt die nicht geringer ist als die Schmelztemperatur der Edelmetall-Kupferoxydlegierung, und die gebrannte Nachbildung zur Bildung des leitenden Elements verfestigt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß man die Nachbildung mittels Siebdruck herstellt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß man die getrocknete Nachbildung bei nicht geringerer als der Schmelztemperatur des Sdelmetallbe3tandteila brennt.
8. Verfahren gemäu, Anspruch 6 dadurch g e k e η η ze ichnet, daß man die getrocknete Nachbildung bei nicht geringerer als der Schmelztemperatur des Edel-^
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metallbestandteils brennt.
9. Keramisches Substrat mit einem elektrisch leitenden Element, das nach einem Verfahren der Ansprüche 5 oder 7 hergestellt ist.
10. Keramisches Substrat mit einem elektrisch leitenden Element, das gemäß einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 oder δ hergestellt ist.
11. Metallisierungspaste gemäß Anspruch 1 und im wesentlichen wie in den Beispielen beschrieben.
12. Verfahren zur Bildung eines elektrisch leitenden Elements auf einem keramischen Substrat gemäß Anspruch 5 und im wesentlichen wie vorausgehend beschrieben.
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