DE2222754A1 - Metallisierende Paste,ihre Herstellung und Verwendung - Google Patents

Metallisierende Paste,ihre Herstellung und Verwendung

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DE2222754A1 DE19722222754 DE2222754A DE2222754A1 DE 2222754 A1 DE2222754 A1 DE 2222754A1 DE 19722222754 DE19722222754 DE 19722222754 DE 2222754 A DE2222754 A DE 2222754A DE 2222754 A1 DE2222754 A1 DE 2222754A1
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Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF
PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 8O. MAUERKIRCHERSTR. 4B
, Df. B»rg Dipl.-Ing. Stopf, 8 MOnchm 80, Mou«rkirch«r»tro9· 45 ·
Ihr Ztichan Ihr Schrelban
Unur
Dahin)
9. Mai 1972
Anwaltsakte 22 417
UNITED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY London / England
"Metallisierende Paste, ihre Herstellung und Verwendung"
Diese Erfindung betrifft metallisierende Pasten, die haftende elektrisch- und thermisch-leitende Metall-enthaltende Niederschläge auf keramischen Oberflächen bilden, wenn sie in Kontakt mit diesen gebrannt werden, sowie Verfahren zur Herstellung von leitenden Elementen auf keramischen Oberlächen mittels dieser Pasten. Die Erfindung findet
Be/Ro/fi
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OFHQlNAL INSfECTBQ
Verwendung bei der Herstellung von Leitern für Mikroschaltungen auf keramischen Substraten und eine weitere Anwendung auf dem Mikroschaltungsgebiet ist die Herstellung von Polstern bzw. Puffern (Kühlflächen) an der Unterseite von keramischen Substraten zur Aufnahme von Wärme aus den Substraten zur Wärmeableitung.
Die vorliegende Erfindung betrifft demgemäß eine metallisierende Paste, die geeignet ist, einen haftenden elektrisch- und thermisch-leitenden Metall-enthaltenden Niederschlag auf einer Keramikoberfläche zu bilden, wobei die Paste ein Wärme-verdampfbares, flüssiges Medium aufweist, das seinerseits als Pulver ein Glasurmaterial und eine Komponente, nämlich ein Metall, eine Metallegierung oder eine Verbindung, die in das Metall oder die Legierung bei Verwendung von Wärmejzersetz-, bzw. zerlegbar ist, enthält und bei Verwendung der Paste, die Glasur, das Oxid des Metalls oder der Legierung löst und die keramischen Oberflächen bei der Schmelztemperatur der Glasur benetzt.
Durch Lösen des Oxids des Metalls oder der Legierung macht die geschmolzene Glasur wenigstens teilweise den isolierenden Oxidfilm löslich, von dem bekannt ist, daß er die meisten Metallpulverpartikel überzieht. Dadurch werden sowohl die elektrische als auch die thermische Leitfähigkeit des Niederschlags wesentlich erhöht.
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Vorzugsweise schmilzt das Glasurmaterial bei einer nicht höheren Temperatur als der Schmelztemperatur der Komponente, denn es wurde festgestellt, daß, wenn, man das Glasurmaterial bei einer höheren Temperatur als der Schmelztemperatur der Komponente schmilzt, d.h. wenn das Glasurmaterial SQhmilz-t, nachdem die Komponente geschmolzen ist, die Leitfähigkeit des gebildeten Niederschlags gesenkt wird. Das Metall kann Al, Cu, Sn, Zn, Cd, Au, Ag, Pe, Ni, Co und/oder Pb sein, wobei das bevorzugte Metall Al istt
Das bevorzugte Glasurmaterial, das zur Verwendung mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder einer Wärme-zer*- legbaren Verbindung des Metalls oder der Legierung geeignet ist, enthält ein Boroxid. Das Glasurmaterial kann weiterhin ein Bleioxid enthalten. Ein zur Verwendung in einer metallisierenden Paste geeignetes, flüssiges Medium enthält Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder eine Wärme-zerlegbare Verbindung, und das bevorzugte Glasurmaterial ist ein polymerisiertes zyklisches Keton, das in einem Lösungsmittel wie Terpineol gelöst ist. Eine geeignete keramische Oberfläche, die sich zur Verwendung mit einer solchen Aluminiumenthaltenden metallisierenden Paste eignet, ist Aluminiumoxid. Zu anderen Oberflächen, außer Aluminiumoxid, die verwendet werden können, gehören Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid-Silikatoberflächen. Zu Aluminiumlegierungen, die in Pasten nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, gehören Al/Cu- und Al/Ag-Legierungen. Zu geeigneten Wärme-zerlegbaren Verbindungen gehören Silberoxid und/oder Kupferchlorid.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bildung eines elektrisch- und thermisch-leitenden Elements in haftendem Kontakt auf einem keramischen Substrat, wozu man eine Nachbildung (Abdruck, Reproduktion) des Elements auf dem Substrat unter Verwendung einer metallisierenden Paste, wie voraus definiert, bildet, die gebildete Nachbildung trocknet, die getrocknete Nachbildung bei einer nicht geringeren Temperatur als der bei der die gesamte Nachbildung schmilzt, brennt, wodurch die Nachbildung das Substrat benetzt und leitfähig wird, und dann die gebrannte Nachbildung unter Bildung eines am Substrat haftenden elektrisch- und thermisch-leitfähigen Element vafestigt. Die Nachbildung bzw. Reproduktion kann auf dem Substrat durch Siebdruck hergestellt werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein keramisches Substrat mit einem elektrisch- und thermisch-leitenden Element, das nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin in beispielhafter Weise durch die folgenden Ausführungsformen erläutert. Ein Wärme-verdampfbares, flüssiges Medium wurde mit Aluminiumpulver, Boroxid und Bleioxid unter Bildung einer Paste gemischt, die eine zum Siebdruck der Mikroschaltung geeignete Konsistenz aufweist. Das flüssige Medium war ein polymerisiertes zyklisches in Terpineol gelöstes Keton, wobei
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ein geeignetes Medium Engelhard 4/575 (Engelhard Industries) ist. Eine geeignete Paste enthält 35 cur flüssiges Medium für jeweils 100 g Feststoffe, die 92 g Al, 6 g PtO und 2 g B2O, enthalten. Die "bevorzugte Partikelgröße des Al-Pulvers war 1-2Vum und die Blei- und Boroxide hatten eine Größe von -400 mesh. Die Paste wurde mittels Siebdruck auf einem Aluminiumoxidsubstrat unter Bildung eines Abdrucks einer Mikroschaltung, die eine Vielzahl von Mikroschaltungsleitern enthielt, aufgedruckt. Das verwendete Substrat war ein 96$iges AIpO.,-Material (Worcester Porcelain Co). Das Substrat mit der aufgedruckten Nachbildung wurde bei 100 - 2000C getrocknet (um das verdampfbare Material zu entfernen) und dann in Luft bei 830 C gebrannt, einer Temperatur bei der sowohl das Aluminiumpulver als auch das gemischte Boroxid/ Bleioxid geschmolzen werden. Das Substrat wurde 50 Minuten gebrannt. Das geschmolzene Aluminiumpulver bildete eine leitende Mikroschaltungsnachbildung und das geschmolzene Boroxid/Bleioxid benetzte das Substrat durch Grenzflächenreaktion mit diesem. Durch nachfolgendes Abkühlen auf Raumtemperatur wurde eine verfestigte und elektrisch-leitende Mikroschaltung gebildet, die mit dem Substrat durch das verfestigte, gemischte Oxidglas verbunden war. Die elektrische Leitfähigkeit von Mikroscnaltungen durch Luft-gebrannte Nachbildungen, wie voraus beschrieben, ist typischerweise 20-30 mfl/Quadrateinheit (Quadrat ist 1 mm Kante). im Vergleich zu beispielsweise Werten von 4 m/y^Quadrateinheit bei Au, 10-3 5 mVQuadrateinheit bei Pt/Au und 60 mV
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Quadrateinheit bei Pd/Ag. Obgleich das Metallpulver im gegebenen Falle Al ist, können auch Pulver von Al-Legierungen, im besonderen Pulver von Al/Cu- und Al/Ag-Legierungen verwendet werden«
Neben den elektrischen Leitungen für Mikroschaltungen erhält man nach der vorliegenden Erfindung Wärme-abstrahierende Elemente, die an der Unterseite von Mikroschaltungssubstraten angebracht sind, um aus diesen Wärme zu entfernen. Solche Elemente, die die Form von Polstern haben und als Kühlflächen zu bezeichnen sind, können auch als Pastennachbildungen mittels Siebdruck abgelagert und in thermischleitende Polsterungen durch Brennen und nachfolgende Verfestigung überführt werden. Es ist dem Fachmann bekannt, daß die Verteilung bzw. Abführung von Wärme, die durch Mikroschaltungen hoher Dichte gebildet wird, ein Problem darstellt. Ein Verfahren wesentlich die Substratwärme zu verringern, ist die Bildung thermisch-leitender Elemente (Kühlflächen "heat sinks") nach der yorliegenden Erfindung«
Patentansprüche: -7-
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Claims (36)

Patentansprüche:
1. Metallisierende Paste zur Bildung eines haftenden elektrisch- und thermisch-leitenden Metall-enthaltenden Überzugs auf einer Keramikoberfläche gekennzeichnet durch ein Wärme-verdampfbares, flüssiges Medium, das als Pulver ein Glasurmaterial und eine Komponente, nämlich ein Metall, eine Legierung und/oder eine Verbindung, die in das Metall oder die Legierung durch Wärme zerlegbar ist, enthält, wobei das Glasurmaterial das Oxid des Metalls oder der Legierung löst und die keramischen Oberflächen bei der Schmelztemperatur der Glasur benetzt.
2. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 1, d a d u r ch gekennzeichnet, daß das Glasurmaterial bei einer nicht höheren Temperatur als der Schmelztemperatur der Komponente schmilzt.
3« Metallisierende Paste gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Al, Cu, Sn, Zn, Cd, Au, Ag, Pe, Ni, Co und/oder Pb ist.
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4. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Al ist. ' '
5· Metallisierende Paste gemäß Anspruch 4 d a d u r ch gekennzeichnet , daß die Komponente Al-Metall ist.
6. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet , daß die Komponente eine Al/ Cu- oder Al/Ag-Legierung ist.
7. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet , daß das Glasurmaterial ein Boroxid enthält.
8. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet , daß das Glasurmaterial zusätzlich ein Bleioxid enthält.
9. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium ein in einem Lösungsmittel gelöstes polymerisiertes zyklisches Keton ist.
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10. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet , daß das Glasurmaterial geeignet ist, eine keramische Oberfläche, die Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Aluminiumoxidsilikat enthält, zu benetzen.
11. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet , daß das Glasurmaterial ein Boroxid.enthält.
12. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet , daß das Glasurmaterial zusätzlich ein Bleioxid enthält.
13· Metallisierende Paste gemäß.einem der Ansprüche 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet , daß das flüssige Medium ein in einem Lösungsmittel gelöstes polymerisiertes zyklisches Keton ist.
14. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, daß das GIasurraaterial zum Bertibzen einer keramischen Oberfläche, die Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder ein Aluminiumoxidsilikat enthält, geeignet ist.
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15. Metallisierende Paste gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine Wärme-zersetz- bzw. zerlegbare Verbindung, nämlich Silberoxid und/oder Kupferchlorid ist.
16. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch- und thermisoh-leitenden Elements in haftenden Kontakt auf einem keramischen Substrat, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Nachbildung des Elements auf dem Substrat mit einer metallisierenden Paste gemäß Anspruch 1 bildet, die gebildete Nachbildung trocknet, die getrocknete Nachbildung bei einer Temperatur brennt, die nicht geringer ist als die Temperatur bei der die gesamte Nachbildung schmilzt, wodurch die Nachbildung das Substrat benetzt und leitfähig wird, und daß man die gebrannte Nachbildung unter Bildung eines am Substrat haftenden elektrisch-und thermisch-leitenden Elements verfestigt.
17. Verfahren gemäß Anspruch l6 dadurch gekennzeichnet , daß man in der Paste ein Glasurmaterial verwendet, das bei einer nicht höheren Temperatur als der Schmelztemperatur der Komponente schmilzt.
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18. .Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17 d a d u r c-h gekennzeichnet , daß man als Metall in der Paste Al, Cu, Sn, Zn, Cd, Au, Ag, Pe, Ni, Co und/oder Pb verwendet. .
19. Verfahren gemäß Anspruch l6 oder 17 dadurch gekennzeichnet , daß man als Metall in der Paste Al verwendet.
20. Verfahren gemäß Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß man als Komponente in der Paste Al-Metall verwendet.
21. Verfahren gemäß Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß man als Komponente in der Paste Al/Cu oder Al/Ag-Legierung verwendet.
22. Verfahren gemäß'Anspruch I9 dadurch gekennzeichnet , daß man in der Paste ein Glasurmaterial verwendet, das ein Boroxid enthält.
23. Verfahren gemäß Anspruch 22 dadunch gekennzeichnet , daß man ein Glasurmaterial verwendet, das zusätzlich ein Bleioxid enthält.
24. Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23 dadurch gekennzeichnet, daß man als flüssiges
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Medium in der Paste ein in einem Lösungsmittel gelöstes polymerisiertes zyklisches Keton verwendet.
25. Verfahren gemäß Anspruch 22 oder 23 d a d u r ch gekennzeichnet , daß man in der Paste ein Glasurmaterial verwendet, das zum Benetzen der keramischen Oberfläche geeignet ist, die Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Aluminiumoxidsilikat enthält.
26. Verfahren gemäß Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet , daß man in der Paste ein Glasurmaterial verwendet, das ein Boroxid enthält.
27. Verfahren gemäß Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet , daß man ein Glasurmaterial verwendet, das zusätzlich ein Bleioxid enthält.
28. Verfahren gemäß Anspruch 26 oder 27 dadurch gekennzeichnet , daß man in der Paste als flüssiges Medium ein in einem Lösungsmittel gelöstes polymerisiertes zyklisches Keton verwendet.
29. Verfahren gemäß Anspruch 26 oder 27 dadurch gekennzeichnet , daß man ein Glasurmaterial in der Paste verwendet, das geeignet ist, eine keramische Oberfläche, die Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Aluminiumoxidsüikat enthält, zu benetzten.
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30. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17 dadurch gekennzeichnet , daß man in der Paste eine Komponente verwendet, die eine Wärme-zersetzbare bzw« zerlegbare Verbindung, nämlich Silberoxid und/oder Kupferchlorid ist,
31. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21 und 26 bis 30 dadurch gekennzeichnet, daß man auf dem Substrat durch Siebdruck eine Nachbildung herstellte
32. Verfahren gemäß Anspruch 22 bis 25 dadurch gekennzeichnet , daß man auf dem Substrat durch Siebdruck einen Nachdruck herstellte
33. Keramisches Substrat mit einem elektrisch- und thermisch-leitenden Element, sofern dieses durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21 und 26 bis 31 hergestellt ist ο
34. Keramisches Substrat mit einem elektrisch- und thermisch-leitenden Element, sofern dieses durch das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25 und 32 hergestellt ist»
35· Metallisierende Paste gemäß Anspruch 1, im wesentlichen wie vorausgehend unter Bezugnahme auf die spezifische Ausführungsform beschrieben»
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36. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch- und thermisch-leitenden Elements im haftenden Kontakt mit einem keramischen Substrat gemäß Anspruch' 16, im wesentlichen wie vorausgehend unter Bezugnahme auf die spezifische Ausführungsform beschrieben.
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