DE2162075A1

DE2162075A1 - Gedruckte elektrische Schaltung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2162075A1
Application number: DE19712162075
Authority: DE
Inventors: Stephen Florenz Kenmore N.Y. Urban (V.StA.)
Original assignee: NL Industries Inc
Current assignee: NL Industries Inc
Priority date: 1970-12-30
Filing date: 1971-12-14
Publication date: 1972-07-06
Also published as: GB1329770A; DE2120913A1; CA957783A; FR2120913A5; NL7118050A

Description

Gedruckte elektrische Schaltungen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung "betrifft gedruckte elektrische Schaltungen, die aus einer keramischen Substratfläche und darauf haftenden Leitungslinien besteht, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Me relativ dünnen Leitungslinien sind auf keramische dielektrische Substratflächen, wie gesinterte Tonerdeplatten oder ähnliches, gebrannt.

Gedruckte elektrische Schaltungen, bei denen ein Wetzwerk von elektrischen Leitungslinien auf einer Substratfläche ausgebildet ist, haben breite Verwendung in der elektronischen Industrie gefunden. Dabei ist nicht nur die Verdrahtung von elektronischen Anlagen vereinfacht worden, sondern solche Schaltungen erfordern auch weniger Raum als die entsprechende Verdrahtung, die einzelne, getrennte Drähte verwendet, wodurch eine Verkleinerung der Komponenten ermöglicht wurde. In vielen Fällen wurden Streuinduktivitätsoder Streukapazitätseffekte verringert oder beseitigt. Zusätzlich kann der Austausch der Komponenten viel be-

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quemer und schneller erfolgen, da sie als Einschubkarten oder Einschubplatten hergestellt v/erden können·

Solche gedruckten Schaltungen können nur Leitungen oder eine Kombination von gedruckten und/oder aufgebrachten elektrischen Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten und ähnliches mit elektrischen Leitungen enthalten, die einige' oder alle dieser Komponenten oder Schaltelemente verbinden und für die Verbindung mit den Zuleitungen von oder zu anderen Komponenten der Schaltung oder anderer Schaltungen geeignet sind. Die Grundfläche oder Substratfläche, auf der die Leitungen gebildet werden, kann aus irgendeinem nicht-leitenden Material bestehen ψ und von irgendeiner Gestalt und Größe sein, wobei die Größe und Gestalt oft durch den Typ der Schaltung, den verfügbaren Raum und die Gestalt und die Größe der Komponenten, mit denen die Schaltung benutzt v/erden soll, vorgeschrieben werden.

Für einige Verwendungszwecke kann die Substratfläche aus Harz oder einem anderen organischen Material bestehen. Für manche Verwendungssswecke jedoch ist ein Substratflächenmaterial, das gute elektrische Isolation, eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante, einen geringen Verlustfaktor, eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit und einen relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, wünschenswert. Eine ^ günstige Kombination solcher Eigenschaften ist bei keramischen Materialien, wie gesinterter Tonerde, Steatit , gesinterter !Titandioxid, Bornitrid, und für einige Verwendungs zwecke, Bariumtitanat, gesinterter Berylliumoxyd, Glas und Kieselerde gefunden worden.

Die Leitungen, die bei den bisherigen Vorrichtungen gewöhnlich aus Silber oder einer Edelmetallegierung bestehen, werden auf die Substratflächen auf unterschiedliche V/eise aufgebracht. Sie können gemalt oder darauf gedruckt sein, durch ein Siebdruckverfahren oder auf andere V/eise aufgebracht sein. Es ist offensichtlich, daß, wenn Gemische verwandt werden, die erwärmt oder bei relativ hohen Temperaturen gebrannt werden müssen, um sie zu altern und/oder sie leitend und fest haftend zu machen,

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keramische Substratflächen notwendig sind. Mannigfaltige Leiter gemische .sind verwandt worden und viele sind im Handel erhältlich. Wie jedoch oben ausgeführt, enthalten die gegenwärtig in Gebrauch befindliehen Gemische Silber oder ein Edelmetall wie Platin, Palladium, Gold oder eine Mischung von zwei oder mehreren dieser Metalle und sind deshalb sehr teuer·

Erfindungsgemäß können Leitungslinien aus relativ billigen Materialien ohne die Verwendung von Silber oder anderen Edelmetallen auf keramischen Substratflächen ausgebildet worden. Die verwandten Gemische sind flüssige Gemische, die aus dem Reaktionsprodukt von Aluminiumpulver mit einem wässrigen Träger bestehen, der ein Phosphat-Chromat-Reaktionsprodukt enthält. Nach dem Aufbringen des Gemisches auf die Substratfläche in dem gewünschten Muster wird der Überzug getroclaiet und dann an der Luft bei einer Temperatur im Bereich von etwa 59O⁰C bis etwa 95O⁰C gebrannt. Die Linien des aufgebrachten Musters sind dann leitend und haben einen geringen Widerstand. Materialien, die die Viskosität verbessern, können zu den flüssigen Gemischen zugegeben werden, um das Siebdrucken mit den Gemischen zu erleichtern.

Im folgenden v/erden anhand der zugehörigen Zeichnung beispielsweise bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine perspektivische Ansicht einer Keramiksubstratfläche mit einer erfindungsgemäß aufgedruckten Schaltung.

Beispiel 1

Eine Platte mit einer gedruckten Schaltung, wie sie in der Figur gezeigt wird, wird dadurch hergestellt, daß eine geeignete Substratfläche wie die Platte 10 aus gesinterter Tonerde mit einer hohen Dichte ausgewählt wird, und auf eine Oberfläche 12 das Muster der Linien 14-i das für die gewünschte Schaltung erforderlich ist, gemalt wird. Das verwandte Gemisch enthält 80 Teile von feinem Aluminiumstaub, der mit einem wässrigen Brei gemischt

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ist, der 32,3 Teile H₃PO₄, 9,1 Teile GrO₃ und 7,1 Teile MgO in einer genügenden Menge Wasser enthält, um die Reaktion der Bestandteile zu ermöglichen und ein leichtes Aufbringen des Gemisches auf die Substratfläche zu erlauben. Mach dem Trocknen des aufgebrachten Gemisches wird der Körper bei 7O5°C in Luft gebrannt und dann gekühlt.

Obwohl die so auf der Substratfläche erzeugten Leitungslinien gut darauf haften und einen geringen elektrischen Widerstand aufweisen, ist es sehr schwierig, darauf Verbindungen zu löten* Es ist festgestellt worden, daß durch das Aufbringen einer kleinen Menge einer herkömmlichen leitenden Silberpaste an Stellen, wie 16, auf den Leitungslinien 14» wo die Herstellung von gelöteten ™ Verbindungen gewünscht wird, und durch das anschließende nochmalige Brennen in einer oxydierenden Atmosphäre wie sum Beispiel Luft, bei einer Temperatur von etwa.65O⁰O die Lötverbindungen sehr leicht an den Stellen hergestellt werden können, wo die Silberpaste aufgebracht ist. Folglich sind die erfindungsgemäßen gedruckten Schaltungsplatten besonders für Herstellungsverfahren geeignet, bei denen Tauchlöten oder Wellenlöten verwandt wird, da, wenn die Platte in das schmelzflüssige Lötmittel getaucht wird und daraus entfernt wird, kein Lötmittel auf den Leitungslinien außer an den Stellen haftet, wo die Silberpaste aufgebrannt ist. Dadurch werden Lötmittel- bzw. Lötbrücken und -gebäude verhindert oder verringert.

Es ist auch möglich, erfindungsgemäß Gemische zur Herstellung der Schaltungslinien auf den keramischen Substratflächen zu verwenden, die eine elektrische Verbindung mit lötbaren Punkten oder Flecken herstellen, die zuvor auf den Substratflächen angebracht oder ausgebildet sind. Dieses wird im folgenden Beispiel erläutert.

Beispiel 2

Es wird eine geeignete Platte oder Substratflache aus gesinterter Tonerde ausgewählt. An Stellen, an denen elektrische Zuleitungen oder Elemente wie zum Beispiel Transistoren, Dioden oder Plätt-

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chenkondensatoren aufgelötet werden sollen, werden !"lecke 18 aus einem der.käuflich erhältlichen Elektrodengemische , die Palladium, Silber und eine niedrig-schmelzende Glasfritte enthalten, aufgebracht. Gemische dieses allgemeinen Typs werden in der US-PS ITr. 2 924 54° beschrieben. Die Tonerdeplatte mit den Flecken darauf wird bei etwa 725°ö gebrannt. Nach dem Abkühlen wird das gewünschte Muster der Leitungslinien auf der Substrätflache durch eine geeignete Vorrichtung aufgebracht, wobei geeignete Teile des Musters die Teile der zuvor ausgebildeten löt- " baren Flecken überdecken. Das Gemisch zur Ausbildung der Leitungen wird durch die Mischung von 70 Teilen sehr feinem Aluminiumpulver und einem Brei hergestellt, der aus 10 Teilen CrO₅, 9,8 Teilen H₇PO. und 12,2 Teilen Aluminiumphosphat mit genügend Wasser besteht, um die erzeugte Paste bequem verwendbar zu machen und die Reaktion der Bestandteile zu ermöglichen. Die Substratfläche wird daraufhin wieder bei etwa 72O⁰C in Luft gebrannt, um den Überzug, der die Leitungslinien bildet, zu altern, und dann gekühlt. Die Schaltungslinien haften gut darauf und bilden eine gute Verbindung mit den lötbaren Flecken Durch herkömmliche Verfahren können Teile oder Zuleitungen bequem auf die Flecken aufgelötet werden.

Das Phosphat-Ohromat-Reaktionsprodukt, das bei der Ausbildung der Leitungslinien verwandt wird, kann, wie oben gezeigt, in seiner Zusammensetzung beträchtlich variieren. In einfacher Form wird es, wie beim ersten der vorhergehenden Beispiele, von MgO, ILJPO, und CrO~ gebildet. Wie jedoch beim Beispiel 2 erläutert, können anstelle der Verwendung von Phosphorsäure Metallphosphate wie Aluminiumphosphat und Eisenphosphat gänzlich oder zum Teil die Säure ersetzen. Weiterhin können lösliche Chromate wie Natriumchromat und Natriumdichromat anstelle von Chromoxyd verwandt werden. Darüber hinaus können Magnesiumhydroxyd und -karbonat und die Oxyde, Hydroxyde und Karbonate der Erdalkalimetalle, von Aluminium und Eisen das Magnesiumoxyd ersetzen oder mit ihm verwandt v/erden. Die genaue Beschaffenheit der gebildeten Reaktionsprodukte ist nicht bekannt, jedoch wird sie offensichtlich gemäß der verwandten Reaktionsbestandteile stark variieren.

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Die relativen Anteile der Reaktionsbestandteile des Breies können auch erheblich variieren. Es ist jedoch wünschenswert, daß sich das Atomverhältnis von Chrom zu Phosphor in dem Brei zwischen etwa 0,3 ' 1 und etwa 0,75 : 1» das Atomverhältnis des Magnesiums und jeder seiner Austauschsubstanzen insgesamt zu Phosphor sich zwischen etwa, 0,5 ϊ 1 und etwa 1,1 : 1 und das Atomverhältnis von Magnesium und jeder seiner Austauschsubstanzen insgesamt zu Chrom sich zwischen etwa 1,0 : 1 und etwa 2,5 : 1 bewegt.

Das verwandte Aluminiumpulver kann von herkömmlicher Reinheit sein und sollte fein zerteilt sein. Es sollte durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm passen und vorzugsweise eine Teilchengröße zwischen 5 p. und 20 /u aufweisen. Der Anteil des verwandten Aluminiumpulvers kann breit variieren. ■Vorzugsweise jedoch wird ein Gewiehtsverhältnis von etwa 3,5 :1 bis 5,0 : 1 im Hinblick auf die festen Bestandteile des Trägers verwandt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf gesinterte Aluminiumoxydplatten, die als Substratflachen in den vorhergehenden Beispielen benutzt wurden, begrenzt. Aluminiumoxydplatten sind relativ billig und haben für manche Verwendungszwecke die entsprechenden elektrischen Eigenschaften. Jedoch können auch andere geeignete keramische Substratflächen verwandt werden, wie zum Beispiel Steatit, gesintertes Titandioxyd, Bornitrid, Bariumtitanat, gesintertes Berylliumoxyd, Glas und Kieselerde.

Obwohl die Gemische, die in den Beispielen 1 und 2 zur Ausbildung der Leitungslinien beschrieben wurden, zweckmäßig sind und leicht auf keramische Substratflächen gemalt werden können, ist es oft wünschenswert, Leitungsgemische zu verwenden, die eine solche Viskosität und Oberflächenspannung aufweisen, daß sie in dem gewünschten Muster auf der Substratfläche leicht durch das sogenannte "Siebdruckverfahren¹¹ aufgebracht werden können. Ein solches Gemisch wird im folgenden Beispiel beschrieben.

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Beispiel 3

Ein Gemisch, das bequem auf eine Tonerdesubstratfläche durch Siebdruck aufgebracht werden kann, wird durch die Zugabe von 27,6 Teilen des Gemisches, das in Beispiel 1 beschrieben wurde, zu 5 Teilen einer Lösung,- die 11 $ Äthylzellulose in Diäthylenglykolmonobutylätheracetat (Butylcarbitolacetat) enthält und zu 4 zusätzlichen Teilen Aluminiumpulver hergestellt. !Das sich so ergebende Gemisch enthält 1,5 ^ Äthylzellulose und 12,1 5$ ihres Lösungsmittels.

Viele andere die Viskosität steuernde Mittel, die sich mit leicht sauren Verhältnissen vertragen, können anstelle der Äthylzellulose verwandt werden, die die Viskosität des Gemisches durch die Absorption von Wasser zu erhöhen scheint. Beispiele für andere verwendbare Zellulosederivate sind Hydroxyäthylzellulose und Carboxymethylzellulose. Es können auch·andere Arten von die Viskosität verbessernden Mitteln verwandt werden. Beispiele sind Äthylenoxydpolymere, Algin, Dextrin und hochmolekulare PoIyäthylenglykole· natürlich werden sich Änderungen in der Wasserabsorption und/oder der Vergrößerung der Viskosität bei den verschiedenen Materialien ergeben. Natürlich kann auch das verwandte Lösungsmittel variieren. In einigen Fällen kann Wasser verwandt werden und auch andere Glykoläther sowie Glykolätherester als auch Alkohol. Im allgemeinen kann jedes verträgliche organische Lösungsmittel von mittlerer oder geringer Flüchtigkeit verwandt werden. Das zusätzliche Aluminiumpulver \;ird hinzugefügt, um die v/irksame Verbindung der Metallteile in dem aufgebrachten Film zu erhalten. Die verwendete Menge kann unterschiedlich sein, sie wird durch die Menge in dem ursprünglichen Gemisch und die Menge des hinzugefügten Lösungsmittels bestimmt.

Die angegebenen Zusammensetzungen, Anteile und Prozentzahlen beziehen sich auf das Gewicht.

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Claims

Patentansprüche

Iy Gedruckte Schaltung aus einer keramischen Substratfläche und darauf haftenden Leitungslinien, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien aus einem flüssigen Gemisch hergestellt sind, das im wesentlichen aus dem Reaktionsprodukt von Aluminiumpulver mit einem wässrigen Träger besteht, der ein Phosphat-Chromat-Reaktionsprodukt enthält.
2. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphat-Chromat-Reaktionsprodukt auch Bestandteile aus wenigstens einem Oxyd, Hydroxyd oder Carbonat eines Erdalkalimetalles, Eisens oder Aluminiums enthält.
3. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalimetall Magnesium ist.
4. Gedruckte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphat-Chromat-Reaktionsprodukt ein Atomverhältnis von Chrom zu Phosphor zwischen etwa 0,3 : 1 und etwa 0,75 : 1, ein Atomverhältnis von Erdalkalimetall, Eisen oder Aluminium zu Phosphor zwischen etwa 0,5 : 1 und etwa 1,1 : 1 und ein Atomverhältnis von Erdalkalimetall, Eisen oder Aluminium zu Chrom zwischen etwa 1,0 : 1 und 2,5 : 1 aufweist.
5. Gedruckte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumpulver in einem Gewichtsverhältnis von etwa 3,5 : 1 bis etwa 5,0 : 1 im Hinblick auf die festen Bestandteile des Bindemittels vorhandf_^jn ist.

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6. Gedruckte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine geringe Menge einer organischen, die Viskosität steuernden Substanz in dem Gemisch befindet.
7. Gedruckte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Flecken aus Silberpaste an Lötstellen auf den Linien angebracht sind. .
8. Gedruckte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien eine Vielzahl von Edelmetallötflecken überlappen, die auf der Substratfläche haften.
9. Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gewünschtes Muster von Leitungslinien auf einer keramischen Substratfläche durch ein flüssiges Gemisch aufgebracht wird, das im wesentlichen, aus dem Reaktionsprodukt von Aluminiumpulver mit einem wässrigen Träger besteht, der ein Phosphat-Chromat-Reaktionsprodukt enthält, dieses Gemisch getrocknet wird, und die Substratfläche an der Luft bei einer Tempera-· tür im Bereich zwischen 5'

um das Gemisch zu altern.

tür im Bereich zwischen 590 C und etwa 950 C gebrannt wird,
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphor-Chromat-Reaktionsprodukt ein Atomverhältnis von Chrom zu Phosphor zwischen etwa 0,3 : 1 und etwa 0,75 : 1, ein Atomverhältnis von Erdalkalimetall, Eisen oder Aluminium zu Phosphor zwischen etwa 0,5 : 1 und etwa 1,1 : 1 und ein Atornverhältnis von Erdalkalimetall, Eisen oder Aluminium zu Chrom zwischen etwa 1,0 : 1 und 2,5 : 1 aufweist.

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11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumpulver in einem Gewichtsverhältnis von etwa 3,5 : bis etwa 5,0 : 1 im Hinblick auf die festen Bestandteile des Trägers vorhanden ist.

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