DE2254803A1 - CERAMIC SUBSTRATE CONTAINING ELECTRIC WIRING PATHS - Google Patents
CERAMIC SUBSTRATE CONTAINING ELECTRIC WIRING PATHSInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrische-Leitungszüge tragendes Keramiksubstrat mit aus einem anderen Material bestehenden, dielektrischen überzug auf einem Flächenbereich, von dem die Keramik durchdringende, elektrische Leitungspfade ausgehen«The invention relates to an electrical cable harness Ceramic substrate with made of a different material, dielectric coating on a surface area of which the Ceramic-penetrating, electrical conduction paths run out "
In vielen Anwendungsfällen besteht die Notwendigkeit, die die elektrischen Leitungszüge tragende Oberfläche eines Keramiksubstrats mit einer Glasschicht zu überziehen. Im Verfahrensgang hierzu sind mehrere Aufheizschritte unter Anwendung relativ hoher Temperaturen vorzunehmen» Die sich hierbei zeigenden Schwierigkeiten sind dadurch bedingt, daß von den Leitungspfaden in der Keramik aufsteigende Bläschen darüberliegende Glasschichten auseinanderreißen; dies insbesondere dann, wenn die für die aufgebrachten elektrischen Leitungszüge verwendeten Metalle aus folgenden Legierungen bestehen: Wolfram-Kupfer, Platin oder Platin-Blei.In many use cases there is a need to use the Surface of a ceramic substrate carrying electrical lines to cover with a layer of glass. In the course of this process, several heating steps are relative to undertake high temperatures »The ones shown here Difficulties are caused by the fact that of the conduction paths bubbles rising in the ceramic overlying layers of glass tear apart; this is particularly the case when the metals used for the applied electrical cables are made The following alloys exist: tungsten-copper, platinum or platinum-lead.
Außerdem zeigen sich Risse im vielschichtigen Keramiksu insbesondere wenn sin Aluminimnverbiadiiangs-Substrat in Ver bindung mit schwerschmelzbaren Metallen wie Wolfram oderIn addition, there are cracks in the multilayered ceramic surface especially if sin aluminum compound substrate in Ver bond with refractory metals such as tungsten or
'30982-3/069O'30982-3 / 069O
225Α8σ3225Α8σ3
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Molybdän oder einer Mischung hiervon Anwendung finden.Molybdenum or a mixture thereof are used.
Schließlich ergeben sich unerwünschte Wechselwirkungen zwischen dem in Form der Leitungszüge auf Substratoberflächen abgelagerten Metall und dem der Leitungspfade in der Keramik. So zeigt sich z.B. bei Anwendung einer Wolfram-Kupferlegierung eine Entnetzung zwischen der Oberfläche der Glasschichten und dem Metall der Leitungspfade in der Keramik. Hinzu kommt, daß bei einer erforderlichen Oberflächenbearbeitung, wie polieren, läppen, der Keramiksubstratoberfläche ünterbrech-ungen an der Stoßstelle zwischen Keramik und Metall auftreten, die als Fangstelle für Verunreinigungen oder Schadstoffe dienen, wie z.B. für Photoresistmaterial, so daß es zu Fehlstellen in hierüber abgelagerte Glasschichten kommen kann.Finally, there are undesirable interactions between that deposited in the form of the lines of conductors on substrate surfaces Metal and that of the conduction paths in the ceramic. For example, when using a tungsten-copper alloy, a Dewetting between the surface of the glass layers and the Metal of the conduction paths in the ceramic. In addition, when surface processing is required, such as polishing, lapping, the ceramic substrate surface is interrupted at the joint occur between ceramic and metal, which serve as a trap for impurities or pollutants, e.g. for photoresist material, so that there may be defects in the layers of glass deposited over it.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Keramiksubstrat mit elektrischen Verbindungsleitungen bereit zu stellen, welches die oben aufgezeigten Nachteile nicht besitzt, so daß bei Verwendung solcher Substrate ein betriebssicheres Arbeiten gewährleistet ist.The object of the invention is therefore to provide a ceramic substrate to provide with electrical connection cables, which does not have the disadvantages indicated above, so that the use of such substrates ensures reliable operation is guaranteed.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leitungspfade im dem genannten Flächenbereich zugeordneten Teil jeweils aus einem Material höherer Dichte bestehen, als in ihrem übrigen Teil. Als Material für die Dielektrikumsschicht kann dabei in vorteilhafter Weise Glas dienen. Dank der Verwendung des Metalls höherer Dichte im Bereich der aufzubringenden Glasschicht wird eine chemische Kontamination und die Bruchgefahr des Keramikkörpers während der darauffolgenden Aufheizverfahrensschritte verhindert bzw. weitgehend ausgeschaltet. Es ist natürlich dafür Vorsorge getroffen, daß in der aufzubringenden Glasschicht Anschlußstücke zum Kontakt mit den elektrischen Leitungsρfaden in der Keramik vorgesehen sind. Als vorteilhaftes Material für den oberen Teil der Leitungspfade hat sich Wolfram und Molybdän erwiesen.The object is achieved in that the Line paths in the part assigned to said surface area each consist of a material with a higher density than in their remaining part. As a material for the dielectric layer glass can serve in an advantageous manner. Thanks to the use of the metal of higher density in the area to be applied The glass layer becomes a chemical contamination and the risk of breakage of the ceramic body during the subsequent heating process steps prevented or largely switched off. It is of course taken care that in the to be applied Glass layer connectors for contact with the electrical Conductor thread are provided in the ceramic. as Tungsten and molybdenum have proven to be advantageous materials for the upper part of the conduction paths.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß der aus dem Material höherer Dichte bestehende Teil des Leitungspfades einen größeren Durchmesser besitzt als der übrige Teil. Hiermit wird zusätzlich verhindert bzw. auf jede Weise sichergestellt, daß eine Kontamination des Metalls geringerer Dichte eintreten kann.In an advantageous further development of the invention it is further provided that the existing from the material of higher density Part of the conduction path has a larger diameter than the rest of the part. This additionally prevents or in every way ensures that contamination of the metal lower density can occur.
Als vorteilhafter Verfahrensschritt zur Herstellung der Anordnung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß nach Brennen des Keramiksubstrats jedoch vor Auftragen des dielektrischen Überzugs und gegebenenfalls des jeweiligen Anschlußkontaktstückes an den je im Bereich dieses Überzugs endenden Leitungspfadteil hoher Dichte der Leitungspfad geringer Dichte unter Ausnutzung der Kapillarwirkung eingefüllt wird.As an advantageous process step for the production of the arrangement according to the invention it is provided that after firing of the ceramic substrate, however, before application of the dielectric coating and, if necessary, of the respective connection contact piece to the line path part that ends in the area of this coating high density, the low-density conduction path is filled using capillary action.
Die Anschlußstücke an den elektrischen Leitungspfad können so angeordnet sein, daß bei mechanischer Oberflächenbearbeitung des Substrats keine Beschädigung auftritt; indem z.B. die Anschlußstucke versenkt angeordnet werden..The connecting pieces to the electrical conduction path can so be arranged so that no damage occurs during mechanical surface treatment of the substrate; by, for example, the Connection pieces are recessed ..
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der unten aufgeführten Zeichnungen und aus den Patentansprüchen. Further advantages and features of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings listed below and from the claims.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 bis 4 . verschiedene Ausführungsbeispiele für elektrische Leitungspfade durch ein Keramiksubstrat.Figs. 1 to 4. various embodiments for electrical Conduction paths through a ceramic substrate.
Generell ist in diesen Darstellungen ein vielschichtiges Keramiksubstrat 10 dargestellt, das auf der einen Oberfläche eine isolierende Glasschicht 12 und hierin eingeschlossen ein metallisches Kontaktstück 13 trägt. Dieses metallische Kontaktstück steht in Verbindung mit einem elektrischen Leitungspfad 14 in diesem Keramiksubstrat 10; wobei davon auszugehen ist,In general, there is a multilayered ceramic substrate in these representations 10 shown that on one surface a insulating glass layer 12 and included therein metallic contact piece 13 carries. This metallic contact piece is connected to an electrical conduction path 14 in this ceramic substrate 10; whereby it can be assumed
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daß eine Vielzahl solcher Leitungspfade in einem Keramiksubstrat vorgesehen sein können. In den Abbildungen ist jeweils nur ein Leitungspfad gezeigt. Um das Anlöten von Anschlußstiften an der Unterseite des Keramikstubstrats 10 zu erleichtern, sind dort Metallscheiben 16 an die Keramik angebracht, und zwar jeweils an den für die Leitungspfade 14 vorgesehenen Stellen.that a plurality of such conduction paths in a ceramic substrate can be provided. Only one line path is shown in each of the figures. About soldering connection pins to facilitate on the underside of the ceramic substrate 10, Metal disks 16 are attached to the ceramic there, specifically to the ones provided for the conduction paths 14 Place.
Der Leitungspfad 14 selbst besteht aus einem oberen metallischen Teil und einem davon unterschiedlichen iretallischen Teil 22, der einerseits an den oberen metallischen Teil 20 anstößt und zum anderen mit. der Metallscheibe lf> in Verbindung stellt. Der obere metallische Teil 20 besteht aus einer dichteren Metallmasse oder Metallkeramikmischling als die Metall mischung bzw. Legierung des unteren Teils 22.The conduction path 14 itself consists of an upper metallic one Part and a different iretallic part 22, which on the one hand abuts the upper metallic part 20 and on the other with. the metal disc lf> connects. The upper metallic part 20 consists of a denser metal mass or metal-ceramic mixture as the metal mixture or Alloy of the lower part 22.
Eint; geeignete Abdichtung zur Verhinderung einer chemischen Verunreinigung und mechanischer Ungleichmäßigkeiten zwischen dei oberen Oberfläche des Keramiksubstrat 10 und der isolierenden Glasschicht 12 hat sich dadurch ergeben, daß als oberer metallischer Teil 20 dos Leitungspfads 14 ein relativ dichtes Metallstiick von 0,1 mm bis 2 inm Höhe verwendet wird.Unite; suitable sealing to prevent a chemical Contamination and mechanical irregularities between the top surface of the ceramic substrate 10 and the insulating one Glass layer 12 has resulted from the fact that the upper metallic part 20 dos conduction path 14 is a relatively tight Metal pieces from 0.1 mm to 2 m in height are used.
A]s einte Möglichkeit für den oberen metallischen Teil 20 ergibt sich die Verwendung eines relativ dichten Materials aus Wolfram oder Molybdän, gebildet, durch Zusammensintern eines entsprechend feinen Pulvers dieser Materialien mit dor Keramik. Zwei weitere geeignet <? Möglichkeiten bestehen in der Verwendung von 0 Vo]? reinen Aluminiums, gemischt mit Molybdän oder Wolfram, das dann zu einer relativ dichten Masse gesintert *rird; oder aber in der Verwendung von 0-60 Vol% Keramik, %emlscht mit Molybdän oder Wolfram, das wiederum zu einer relativ dichten Masse gesintert wird.A] s one possibility for the upper metallic part 20 is to use a relatively dense material made of tungsten or molybdenum, formed by sintering one together accordingly fine powder of these materials with the ceramic. Two more suitable <? Possibilities exist in the use of 0 Vo]? pure aluminum mixed with molybdenum or tungsten, which is then sintered into a relatively dense mass; or but when using 0-60 vol% ceramics,% emlscht with Molybdenum or tungsten, which in turn become a relatively dense one Mass is sintered.
In den gezeigten Abbildüngen besteht jeweils der untere metallische Teil ??. nun einer porösen Metal !man se, die in einemIn each of the illustrations shown, there is the lower metallic part ??. now a porous metal! man se that in one
FJ 9 71 O2OFJ 9 71 O2O
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kapillaren Einfüllprozeß, wie an anderer Stelle beschrieben, eingebracht wird. Grünkeramikfolien, die mittels Siebdruckverfahren behandelt werden, sind für die in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigten Strukturen besonders geeingnet. Es werden an sich bekannte Siebdruckverfahren verwendet, um die planaren Leitungsmuster auf die Substrate aufzutragen, indem gleichzeitig die elektrischen Leitungspfade durch die Substrate, wie durch Leitungspfad 14 angedeutet, erstellt werden. Die einzelnen Grünkeramikfolien werden dann aufeinandergepackt und gebrannt. Auf diese Weise lassen sich die unteren Grünkeramikfolien mit einem porösen Leitungsmaterial, wie bei 22 angedeutet, beaufschlagen und die oberen Schichten können mit einer dichteren Metallmasse überzogen werden, so daß sich die oberen Teile 20 ausbilden können. Beim Brennen backen die Grünkeramikfolien zusammen, so daß sich ein einheitlicher Keramikblock, wie durch Substrat 10 dargestellt, ergibt. Nach Abschluß dieser Verfahrensschritte werden die Glasschicht 12 und die metallische Anschlußschicht 13 niedergeschlagen. Es können dabei so viele Glas- und Metallschichten niedergeschlagen werden, wie es sich als wünschenswert ergibt. Der obere Teil 20, bestehend aus einer relativ dichten Metallmasse, verhindert eine chemische Kontamination und Brüche während des GlasSchichtniederschlags als Folge der dabei erforderlichen Aufheizzykien. In der Praxis besteht der untere Teil 22 des Leitungspfads aus einer zweiten Metallmasse, die mit Hilfe eines kapillaren Füllprozeßes zwar nach dem Brennvorgang aber noch vor dem Niederschlag der Glassehieht 12 und des elektrischen Anschlußstückes 13 eingebracht wird.capillary filling process, as described elsewhere, introduced will. Green ceramic films made by means of screen printing are for those shown in FIGS. 1-4 Structures particularly suitable. Screen printing processes known per se are used to create the planar line patterns to be applied to the substrates by simultaneously making the electrical conduction paths through the substrates, such as through conduction path 14 indicated to be created. The individual green ceramic sheets are then packed on top of one another and fired. To this Way can the lower green ceramic sheets with a porous Line material, as indicated at 22, apply and the upper layers can be coated with a denser metal mass so that the upper parts 20 can be formed. At the Firing bakes the green ceramic sheets together so that a unitary ceramic block, as represented by substrate 10, results. After completing these procedural steps, the Glass layer 12 and the metallic connection layer 13 are deposited. There can be so many layers of glass and metal be put down as it turns out to be desirable. The upper part 20, consisting of a relatively dense metal mass, prevents chemical contamination and breakages during of the glass layer precipitation as a result of the required Heating cycles. In practice, the lower part 22 of the conduction path consists of a second metal mass which, with the aid of a capillary filling process after the burning process but still before the deposition of the glass layer 12 and the electrical Connector 13 is introduced.
Die Struktur nach Fig. 2 ist im wesentlichen mit der nach Fig* 1 identisch; jedoch nimmt der obere Teil 30 des Leitungspfades 14 eine größere Breite ein als der restliche Leitungspfad. Auf diese Weise wird erreicht, daß die obere Glasschicht 12 von dem unteren Teil 22 des Leitungspfades besser abgedeckt wird, so daß sich auch bessere elektrische Leitungseigenschaften ergeben falls erforderlich,The structure of FIG. 2 is essentially identical to that of FIG. 1; however, the upper part 30 of the conduction path 14 occupies a greater width than the remainder of the conduction path. In this way it is achieved that the upper glass layer 12 is better covered by the lower part 22 of the conduction path, so that better electrical conduction properties also result, if necessary,
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In den Strukturen nach Fig. 3 und 4 zeigen sich Änderungen gegenüber den entsprechenden Strukturen der Fig. 1 und Fig. 2. Bei beiden Strukturen ist eine Metallscheibe 36 in das Innere des Keramiksubstrats verlegt, und zwar in einem gewissen Abstand von der Oberfläche 38. Eine solche Anordnung gestattet es, daß die Bodenfläche des Substrats nach dem Brennvorgang ohne Schaden für die Metallscheiben geglättet und poliert werden kann. Auch hier wiederum ergibt sich für die Ausweitung des oberen Teils 30 des elektrischen Leitungspfades 14 eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit für den Leitungspfad zusätzlich zu einer besseren Abdichtung. Obgleich die elektrischen Leitungspfade in den Strukturen nach Fig. 1 bis Fig. 4 lediglich vertikale Leitungsverbindungen darstellen, versteht es sich, daß hieran Leitungsebenen bzw. Leitungsflächen, die hierzu senkrecht liegen, in üblicher Weise angeschlossen sein können.In the structures according to FIGS. 3 and 4 there are changes in relation to one another the corresponding structures of FIGS. 1 and 2. In both structures, a metal disk 36 is in the interior of the ceramic substrate laid at a certain distance from the surface 38. Such an arrangement allows that the bottom surface of the substrate can be smoothed and polished after the firing process without damage to the metal disks can. Here, too, there is an increased widening of the upper part 30 of the electrical conduction path 14 electrical conductivity for the conduction path in addition to a better seal. Although the electrical conduction paths in the structures according to FIGS. 1 to 4 are only vertical Represent line connections, it is understood that on this line levels or line areas that are perpendicular to this can be connected in the usual way.
FI §71 O2OFI §71 O2O
309823/0690309823/0690
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