DE2444639C3

DE2444639C3 - Dickschicht-Leiterbahnpaste

Info

Publication number: DE2444639C3
Application number: DE19742444639
Authority: DE
Inventors: Arthur; Leskovar Peter Dr.; 8000 München Weitze
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1974-09-18
Publication date: 1977-12-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Dickschicht-Leiterbahnpaste bestehend aus einer Suspension eines Silber, Aluminium und Glasfritte enthaltenden Pulvergemisches in einem organischen Trägermedium.

Dickschicht-Leiterbahnpasten, wie sie beispielsweise aus der Zeitschrift »Metall«, 24 Jahrgang, Febr. 1970, Heft 2, Seiten 118 bis 122, bekannt sind, enthalten neben Glasfritte in der Regel Pulver gutleitender Metalle wie Silber oder Palladium. Zur Herstellung von Leiterbahnen werden diese Dickschicht-Leiterbahnpasten, beispielsweise im Siebdruckverfahren, auf einen Glas- oder Keramikträger aufgebracht, getrocknet und dann einem Brennprozeß unterzogen. Neben den Leiterbahnen können auf dem Glas- oder Keramikträger auch gedruckte Bauelemente, wie Widerstände oder Kondensatoren, ausgebildet werden. Ferner können durch Zwischenschaltung entsprechender Isolierebenen Schaltungsträger mit mehreren Leiterbahnebenen aufgebaut werden.

Die bekannten Dickschicht-Leiterbahnpasten besitzen eine starke Diffusionsneigung, d. h. bestimmte Bestandteile dringen in angrenzende Schichten ein. Diffundieren leitende Bestandteile der Dickschicht-Leiterbahnpasten in die dielektrischen Schichten von Kondensatoren oder in die Isolierebenen mehrlagiger Schaltungsträger, so besteht die Gefahr, daß Kurzschlüsse auftreten. Durch Mikroporen und feine Risse in den isolierenden Schichten wird diese Gefahr noch erheblich verstärkt. Die Bildung von Diffusionszonen zwischen Dickschicht-Leiterbahnen und aufgedruckten Widerständen ist ebenfalls unerwünscht, da hierdurch der Widerstandswert verändert wird und eine genaue Berechnung der Widerstände sehr erschwert wird.

Aus der FR-PS 15 40 790 sind Dickschicht-Leiterbahnpasten bekannt, deren feste Bestandteile neben Glasfritte und Silber mindestens ein weiteres Metall wie ⁶S Zinn, Antimon, Kadmium, Zink oder Aluminium enthalten. Sämtliche dieser bekannten Dickschicht-Leiterbahnpasten besitzen jedoch in den angegebenen Mengenverhältnissen der festen Bestandteile ebenfalls eine starke Diffusionsneigung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dickschicht-Leiterbahnpaste zu schaffen, die nur eine geringe Diffusionsneigung aufweist

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Dickschicht-Leiterbahnpaste der eingangs genannten Art wenigstens 95 Gew.-% des Pulvergemisches aus

4 bis 10 Gew.-% Silber,
47 bis 55 Gew.-% Aluminium und
41 bis 44 Gew.-% Glasfritte bestehen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Dickschicht-Leiterbahnpaste, deren feste Bestandteile zu wenigstens 95 Gew.-°/o aus Silber, Aluminium und Glasfritte bestehen, eine auffallend geringe Diffusionsneigung aufweist, sofern diese Komponenten in bestimmten Mischungsverhältnissen vorliegen. Bis zu 5 Gew.-% der festen Bestandteile können aus bekannten Zusätzen bestehen, ohne daß die Diffusionsneigung wesentlich verstärkt wird. Als fester Zusatz kann beispielsweise Wismutoxid (BbO₃) Verwendung finden. Das Wismutoxid wirkt hierbei als Flußmittel, das eine bessere Benetzung und Haftung auf einer Unterlage herbeiführt.

Da bekannte Dickschicht-Leiterbahnpasten eine starke Diffusionsneigung aufweisen, wird die geringe Diffusionsneigung der erfindungsgemäßen Dickschicht-Leiterbahnpaste auf die Anwesenheit des Aluminiums und auf die Bildung von Reaktionsprodukten des Aluminiums mit der Glasfritte zurückgeführt. Die genaue Beschaffenheit dieser Reaktionsprodukte, die beim Brennen der Dickschicht-Leiterbahnpaste entstehen, ist nicht bekannt. Es wird jedoch vermutet, daß ihre Bildung durch das Silber katalysiert wird, sofern Silber, Aluminium und Glasfritte in bestimmten Mischungsverhältnissen vorliegen. Obwohl die erfindungsgemäße Dickschicht-Leiterbahnpaste bei Temperaturen zwischen 850 und 1050°C eingebrannt wird, findet während des Brennprozesses trotz des hohen Aluminiumanteils überraschenderweise keine Entmischung statt. Da der Schmelzpunkt des Aluminiums bei ca. 659° C liegt, wäre zu erwarten, daß das Aluminium schmilzt und sich in Form kleiner Kügelchen an der Oberfläche der aufgedruckten Strukturen abscheidet.

Neben der geringen Diffusionsneigung hat die erfindungsgemäße Dickschicht-Leiterbahnpaste den Vorteil, daß sie kein Lot annimmt und mit bekannten Dickschicht-Leiterbahnpasten bzw. Dickschicht-Widerstandspasten kompatibel ist. So können beispielsweise bei Hybridschaltungen diejenigen Stellen, die später von einem Lot benetzt werden sollen, mit einer lötfähigen Dickschichtpaste überdruckt werden. Beim Verzinnen im Schwall- oder Tauchbad werden dann nur die überdruckten Bereiche vom Lot benetzt, während die übrigen mit der erfindungsgemäßen Dickschicht-Leiterbahnpaste hergestellten Leiterbahnbereiche nicht benetzt werden. Die Gefahr der Bildung von Lotbrücken zwischen den Leiterbahnen wird hierdurch ausgeschlossen. Außerdem können bei Schaltungen mit Anschiußflächen zum Anlöten von Halbleiterbausteinen in Flip-Chip-Technik die aufgedruckten Anschlußflächen selektiv mit Lot belegt werden, so daß gleichmäßig geformte Lotkuppen entstehen. Das Aufdrucken eines lotabweisenden Dammes, der die Anschlußflächen zu den Leiterbahnen hin abgrenzt, ist somit nicht mehr erforderlich.
Vorzugsweise werden die Mischungsverhältnisse

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derart festgelegt, dab wenigstens 95 Gew.-°/o des Pulvergemisches aus
4 Gew.-% Silber,
55 Gew.-% Aluminium und
41 Gew.-% Glasfritte bestehen.

Neben der äußerst geringen Diffusionsneigung weist eine derart zusammengesetzte Dickschicht-Leiterbahnpaste einen besonders geringen Flächenwiderstand auf.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dickschicht-Leiterbahnpaste betragen die Korngrößen des Silberpulvers und des Aluminiumpulvers mindestens 6 μπι und höchstens 20 μιη. Die unteren und oberen Grenzen der Korngrößen sind hierbei so gewählt, daß beim Brennprozeß keine unerwünschte Oxydation auftritt und daß die Dickschicht-Leiterbahnpaste leicht zu verarbeiten ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.

Beispiel 1

Als Zwischenprodukt zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Leiterbahnpaste wurde zunächst eine Silberpaste hergestellt. Hierzu wurden 70 Gew.-% Silberpulver mit Korngrößen unter 10 μηι und 4,5 Gew.-% Borosilikatglas-Pulver mit einem organischen Trägermedium vermischt. Als organisches Trägermedium wurde eine Lösung von 10% Äthylcellulose in Terpineol-lsomerengemisch verwendet. Das Verhältnis der Feststoffe zu dem zähflüssigen organisehen Trägermedium war mit etwa 3:1 bis 4 :1 festgelegt. Das so hergestellte Zwischenprodukt entspricht etwp handelsüblichen Silberpasten.

Anschließend wurde 1 Gewichtsteil dieser Silberpaste, 10 Gewichtsteile Aluminiumpulver mit Korngrößen zwischen 6 μιη und 20 μηι, 5,7 Gewichtsteile Borosilikatglas-Pulver mit Korngrößen zwischen 30 μιη und 5 μιη und 6 Gewichtsteile eines organischen Trägermediums vermischt und auf einem Walzenstuhl homogenisiert. Als organisches Trägermedium wurde wieder die bereits vorstehend erwähnte Lösung von 10% Äthylcellulose in Terpineol-lsomerengemisch verwendet.

Nach dem Homogenisieren war die Dickschicht-Leiterbahnpaste in ihrer Viskosität bereits so eingestellt, daß sie im Siebdruckverfahren verarbeitet werden konnte. Mit Hilfe einer entsprechenden Siebdruckschablone wurden gemäß F i g. 1 auf einem Keramikträger 1 Leiterbahnen 2 aufgedruckt Nach dem Trocknen der aufgedruckten Dickschicht-Leiterbahnpaste wurde der Keramikträger 1 in einen Durchlaufofen eingebrachi. Das Einbrennen erfoigte bei einer Durchlauf zeit von 10 Minuten, wobei die Spitzentemperatur von 1000⁰C in einer Zeit von 2 Minuten durchfahren wurde. Während des Brennvorganges wurde der Durchlaufofen mit Luft gespült. Anschließend wurde auf dem Keramikträger 1 zur Bildung von Widerständen 3 und 4 eine handelsübliche Widerstandspaste aufgedruckt, getrocknet und bei Spitzentemperaturen von 850⁰C eingebrannt. Zur Bildung von lötfähigen Bereichen 5 auf den Leiterbahnen 2 wurde eine handelsübliche Silber-Palladium-Leiterbahnpaste aufgedruckt, getrocknet und bei Spitzentemperaturen von 850⁰C eingebrannt. Da die Leiterbahnen 2 und die Widerstände 3 und 4 kein Lot annehmen, können die lötfähigen Bereiche 5 im Schwall- oder Tauchbad selektiv mit Lot belegt werden. Fig.2 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie II-1I der Fig. 1. In diesem Schnitt ist zu erkennen, daß der Widerstand 4 auf dem Keramikträger 1 aufgebracht ist und die Enden der zugehörigen Leiterbahnen 2 überlappt und daß die lötfähigen Bereiche 5 auf die Leiterbahnen 2 aufgedruckt sind. An den Überlappungsstellen der Leiterbahnen 2 und des Widerstandes 4 bildet sich nur eine äußerst geringe Diffusionszone aus, so daß der Formfaktor der aufgedruckten Widerstandsschicht nahezu gleich 1 ist. Dies bedeutet, daß die Widerstände 3 und 4 bei konstanter Dicke lediglich vom Länge-Breite-Verhältnis abhängig sind und sehr exakt berechnet werden können. Der Flächenwiderstand der Leiterbahnen 2 entspricht mit 3OmQ etwa dem Flächenwiderstand bekannter Silber-Palladium-Leiterbahnpasten.

Beispiel 2

Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Leiterbahnpaste wurden 7 Gew.-% Silberpulver mit Korngrößen unter 10 μπι, 34 Gew.-% Glaspulver mit Korngrößen unter 30 μιη, 21 Gew.-% Aluminiumpulver mit Korngrößen zwischen 6 und ΙΟμίη, 15,6 Gew.-% Aluminiumpulver mit Korngrößen unter 20 μιη und 22,4 Gew.-% des in Beispiel 1 genannten organischen Trägermediums eingewogen und auf einem Walzenstuhl homogenisiert. Die Weiterverarbeitung kann wie bei der in Beispiel 1 beschriebenen Dickschicht-Leiterbahnpaste erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dickschicht-Leiterbahnpaste beste! ..J aus einer Suspension eines Silber, Aluminium und Glasfritte enthaltenden Pulvergemisches in einem organischen Trägermedium, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 95 Gew.-% des Pulvergemisches aus

4 bis 10 Gew.-% Silber,

47 bis 55 Gew.-% Aluminium und 41 bis 44 Gew.-% Glasfritte bestehen.

2. Dicksshicht-Leiterbahripaste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 95 Gew.-°/o des Pulvergemisches aus

4 Gew.-% Silber,
55 Gew.-% Aluminium und 41 Gew.-°/o Glasfritte
bestehen.

3. Dickschicht-Leiterbahnpaste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngrößen des Silberpulvers und des Aluminiumpulvers mindestens 6 μπι und höchstens 20 μίτι betragen.

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