DE2462008C3

DE2462008C3 - Mehrschichtige Schaltkreisstruktur und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2462008C3
Application number: DE19742462008
Authority: DE
Inventors: Truman Clifford Niagara Falls Rutt; James Albert Lewiston Stynes
Original assignee: NL Industries Inc
Current assignee: NL Industries Inc
Priority date: 1973-09-24
Filing date: 1974-09-20
Publication date: 1979-09-13
Also published as: DE2462008B2; DE2462008A1

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Schaltkrcisstruktur mit einem relativ dünnen, einheitlichen Körper aus einer gesinterten, elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, der in einem Kanal vorbestimmter Größe und Form, der sich bis zu mindestens einer Oberfläche des Körpers erstreckt, und, verglichen mit dem Körper, eine kleine Querschnittsfläche aufweist, mindestens einen inneren elektrischen Leiter umfaßt, wobei der Leiter aus einem Metall gebildet ist, das einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger litgt, als die beim Sintern der Keramikzusammensetzung angewandte maximale Temperatur; und Verfahren zu ihrer Herstellung.

In ihrer einfachsten Form besteht eine keramische Schaltkreisstruktur aus einem Paar relativ dünner Plättchen der gewünschten Form und Größe, die man durch Brennen einer elektrisch isolierenden Keramikmasse erhält, und die auf den gegenüberliegenden Oberflächen mit Elektroden versehen sind. In vielen Fällen ist es jedoch erwünscht, eine Struktur zu verwenden, die eine Vielzahl derartiger Plättchen aufweist, zwischen denen elektrisch leitende Gebiete vorgesehen sind. Gemäß einem typischen bekannten Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaltkreis-Struktur wird eine Elektroden-bildende Paste, die ein Edelmetall, wie Platin oder Palladium, enthält, auf die obere Fläche eines kleinen, üblicherweise gegossenen, dünnen Plättchens aus einer geeigneten, elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, die mit Hilfe eines organischen Bindemittels vorübergehend gebunden worden ist, aufgetragen. Dann werden zwei oder mehrere der in dieser Weise mit der Elcktrodcnpaste beschichteten, kleinen Plättchen aufeinandergestapelt. Der Stapel aus den mit der Paste beschichteten Plättchen wird dann in geeigneter Weise verfestigt und erhitzt, um die organischen Bindemittel der Keramikplättchen und der Elektroden-bildenden Paste auszutreiben oder zu zersetzen und die isolierende Masse zu einem einheitlichen, vielschichtigen Körper zusammenzusintern. Die frei zutageliegenden E'-^klroden werden dann in üblicher Weise mit einer Abschlußelektrode elektrisch verbunden.

Wegen der Notwendigkeit, bei dem genannten Verfahren innere Elektroden aus Edelmetall zu verwenden, sind solche Schaltkreisstrukturen kostspielig. Billigere Silberelektroden, wie sie häufig für andere Strukturen verwendet werden, sind im allgemeinen für monolithische Schaltkreisstrukturen nicht geeignet, da das in Form einer Elektrodenpaste aufgetragene Silber während des Brennens zur Herstellung der Keramik hohen Temperaturen ausgesetzt und hierdurch geschädigt wird. Demzufolge besteht ein Bedürfnis für monolithische Schaltkreisstrukturen, bei denen es nicht erforderlich ist, Edelmetalle oder sehr kostspielige Metalle zur Bildung der Leiterbahnen zu verwenden.

In der US-PS 36 79 950 sind Keramikkondensatoren beschrieben, die bei ihrer Herstellung nicht die Verwendung von Edelmetallen erforderlich machen. Zu ihrer Herstellung ist in diesem Patent eine Reihe von Maßnahme angegeben, die die Bildung gesinterter Keramikmatrices, die abwechselnd Schichten aus dir.htem, elektrisch isolierendem Material und Gebiete aus porösem Keramikmaterial aufweisen, und das anschließende Abscheiden eines leitenden Materials in der porösen Schicht umfassen, wozu man billige Metalle verwenden kann. Obwohl sehr zufriedenstellende, relativ preisgünstige Schaltkreisstrukturen nach den in der genannten Patentschrift angegebenen Verfahrensweise hergestellt worden sind, hat es sich in gewissen Fällen als problematisch erwiesen, die Kontinuität des

Metalls in den innenliegenden Elektroden aufrechtzuerhalten. Weiterhin ist es erwünscht, den Elektrodenwiderstand insbesondere dann so niedrig wie möglich zu halten, wenn Schaltkreisstrukturen gebildet werden sollen, die bei hohen Frequenzen benutzt werden.

Aus der DE-AS 13 01 378 ist ein Verfahren zur Herstellung vielschichtiger, elektrischer Schaltungselemente auf keramischer Basis bekannt, das darin besteht, daß man einen Keramikblock mit einem metallisch ausgekleideten Kapillarsystem entsprechend dem angestrebten Leitungssystem herstellt und dann das Kapillarsystem mit geschmolzenem Metall ausfüllt Zur Herstellung des Keramikbiockes werden ungebrannte Keramiklamellen, die entsprechend dem angestrebten Kapillarsystem durchbrochen sind und in den Durchbrüchen und auf ihren Flächen mit einer metallischen Paste bestrichen sind, zu einem Block gestapelt erhitzt und zu einem Keramikblock zusammengesintert Anschließend wird das metallisierte Kapillarsystem mit einem geschmolzenen Meta!! ausgefüllt Somit lsi der wesentliche Gedanke dieses Standes der Technik darin ί-.ι sehen, daß kapillarartige Hohlräume in dem Keramikblock ausgebildet werden, deren Oberflächen mit einem das spätere Einführen des Leitermetalls begünstigenden Metall beschichtet sind. Es sind somit zwei verschiedenartige Metalle notwendig, wobei zur Ausbildung der Metallschicht an der Oberfläche der Kapillaren Metalle verwendet werden müssen, die das Brennen des Keramikblockes unbeschädigt überstehen. Hierzu werden nach diesem Stand der Technik überwiegend hitzefeste und kostspielige Metalle, wie Molybdän, Mangan, Wolfram, Titan, Tantal, Zirkonium, Eisen, Niob und Lithium verwendet. Die Eignung von Eisen und Lithium erscheint jedoch fraglich, zumal auch sämtliche Beispiele nur Molybdän verwenden. Aufgrund dieser kostspieligen Herstellungsweise sind auch diese vorbekannten Keramikschaltkreisstrukturen nicht zufriedenstellend.

Den aus Jen obigen Druckschriften bekannten Sch?ltkreisstrukturen ist nun der gemeinsame Nachteil eigen, daß die Keramikmatrices vor dem Einführen der Leitermetalle nur eine unzureichende Festigkeit insbesondere im Bereich der Kapillarhohlräume aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine mehrschichtige Schaltkreisstruktur, die hinsichtlich der Kontinuität und des geringen Widerstandes der in den Kapillarhohlräumen vorhandenen Elektroden verbessert ist und dessen Keramikmatrix vor dem Imprägnieren mit dem Leitermetali eine angemessene Festigkeit besitzt, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, Oas weniger aurwendig ist als die vorbekannten Verfahren und eine im wesentlichen ungestörte Einführung der Leitermetalle ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße mehrschichtige Schaltkreisstruktur mit einem relativ dünnen, einheitlichen Körper aus einer gesinterten, elektrisch isolierenden Keramikzusammep.setzung, die in einem Kanal vorbestimmter Größe und Form, der sich bis zu mindestens einer Oberfläche des Körpers erstreckt und, verglichen mit dem Körper, eine kleine Querschnittsfläche aufweist, mindestens einen inneren elektrischen Leiter umfaßt, wobei der Leiter aus einem Metall gebildet ist, das einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger liegt, als die beim Sintern der Keramikzusammensetzung angewandte maximale Temperatur, gelöst, die dadurch gekennzeic'.i:;et ist, daß der Kanal im Inneren mit einer oder mehreren diskreten Säulen aus Keramik oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt versehen ist, die sich zwischen der Oberseite und der Unterseite des Kanals erstrecken und diese berühren, und wobei, wenn eine Vielzahl dieser Säulen vorhanden ist diese Säulen voneinander getrennt angeordnet sind und nicht mehr als 40 Vol.-°/o, vorzugsweise nicht mehr als 10 Vol.-% des Volumens des Kanals ausmachen.

Aufgrund des Aufbaus der Kanäle oder Hohlräume der erfindungsgemäßen mehrschichtigen Schaltkreisstruktur ist es möglich, ohne weiteres ein leitendes

ίο Material, wie ein Metall, in die Hohlräume der Matrix einzuführen und damit einen Körper zu bilden, der abwechselnd ununterbrochene, leitende Schichten und elektrisch isolierende Keramikschichten aufweist Die inneren Elektroden der erhaltenen Strukturen besitzen einen geringen Widerstand, da die Hohlräume zwischen den elektrisch isolierenden Schichten nur in geringem Umfang Hindernisse enthalten.

Zur Herstellung der mehrschichtigen Schaltkreisstrukturen werden Pseudoleiter verwendet die im

?n wesentlichen aus einem sich in der Hu>e verflüchtigenden Material gebildet sind, das beim drennen der Keramik entfernt wird, wodurch Hohlräume oder Kanäle gebildet werden, in die das leitende Matrial eingeführt wird. Die Form, Größe und Anordnung der Leiter und/oder Elektroden entsprechen im wesentlichen denen der pseudoleitenden Elektroden oder Leitungen in dem ungebrannten Körper, die sie ersetzen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Schaltkreissiiuktur, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eiiien verfestigten Stapel herstellt, der eine Vielzahl relativ dünner Blätter aus einem feinverteilten Keramikm-.terial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemitiel gebunden ist, umfaßt, wobei eine Vielzahl der Blätter ein vorbestimmtes Muster trägt, das mit einer Zusammensetzung gebildet ist, die aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material und einer geringeren Menge keramischer und/oder metallischer Körnchen solcher Größe, daß sie sich im wesentlichen über die gesamte Dicke des Musters hinweg erstrecken, besteht; erhitzt den verfestigten Stapel, um das sich in der Hitze verflüchtigende Material zu entfernen und eine gesinterte Keramikmatrix zu bilden, in der im

4Ί wesentlichen dünne, leere, den Mustern entsprechende Kanäle vorhanden sind, die lediglich durch die Körnchen unterbrochen werden; und führt in die Kanäle ein leitendes Material ein.

Einer weiteren Ausführungsform des erfindungsge-

V) mäßen Verfahrens gemäß bildet man einen re.'ativ dünnen, einheitlichen Körper aus einer gesintertet!, elektrisch isolierenden Keramikzusarnmensetzung, der mindestens einen inneren Kanal vorbestimmter Größe und Form aufweist, der sich bis zu einer Oberfläche des

3) Körpers erstreckt, wobei der Kanal lediglich durch eine oder mehrere diskrete Säulen unterbrochen wird, die sich zwischen der Unterseite und der Oberseite des Kanals befinden und diese berühren, wobei im wesentlichen sämtliche Säulen, wenn davon eine

• Vielzahl vorhanden ist, voneinander getrennt sind und nicht mehr als 40 Vol.-%, vorzugsweise rcirht mehr als IOVol.-% des Volumens des Kanals ausmachen, und wobei der Kanal eine Qiierschnittsfläche aufweist, die, verglichen mit der cdf Körpers, relativ klein ist; und führt in den im Inneren vorhandenen Kanal ein leitendes Material ein.

Die Mehrschichtschaltkreisstrukturen werden somit dadurch hergestellt, daß man

1. auf einem oder mehreren dünnen Müttern oder Plättchen aus einem geeigneten, fein verteilten Keramikmaterial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel verbunden ist, Überzüge aufträgt, die dünne, ausgewählte Muster aus pseudoleitcndcm Material umfassen, das im wesentlichen aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material, einem oder mehreren Keramikkörnchen oder Metallkörnchen und einem sich in der Hinze verflüchtigenden Bindemittel besteht;

2. einen verfestigten Stapel aus zwei oder mehreren beschichteten Blättern oder Plättchen bildet;

J. den erhaltenen Körper zum F.ntfernen der sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien und zum Sintern des Keramikmaterials zu einem monolithischen Körper brennt, der dünne Kanäle, Hohlräume oder offene Zwischenräume aufweist, die lediglich durch eine oder mehrere diskrete Keramik- oder Metall-Säulen bzw. Stützen unterbrochen sind, von denen im wesentlichen sämtliche, wenn hiervon eine Vielzahl vorhanden ist, einzeln bzw. diskret und voneinander getrennt angeordnet sind, und nicht mehr als 40 Vol.-%, vorzugsweise nicht mehr als IOVol.-% des Volumens der Hohlräume oder Kanäle ausmachen;

4. ein leitendes Material, vorzugsweise Metall, in die erhaltenen Hohlräume oder Kanäle einführt; und

5. die gebildeten leitenden Gebiete in geeigneter Weise elektrisch verbindet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Schaltkreisstruktur,

Fig. 2 in Explosionsdarstellung die verschiedenen Keramikplättchen, die zur Bildung der in der Fig. 1 dargestellten Struktur verwendet werden, und die mit Pscudoleitern versehen sind,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines gebundenen, zusammengesetzten Keramikkörnchens, das für die Durchführung der Erfindung geeignet ist.

Körnchen eingesetzt werden können, sind Aluminiumoxid, Zirkondioxid und Bariumtitanat. Da es jedoch im allgemeinen von Bedeutung ist, eine Reaktion zwischen den Körnchen und dem elektrisch isolierenden Keramikmaterial zu verhindern, da hierdurch die elektrischen Eigenschaften des letzteren verändert werden könnten, sind Keramikmaterialien, die schmelzen oder mit dem elektrisch isolierenden Material reagieren, nicht geeignet. In den meisten Fällen ist es bevorzugt, ein Material zu verwenden, das die gleiche Zusammensetzung besitzt, wie das elektrisch isolierende Material. Wie oben bereits erwähnt, sollten die Körnchen eine solche Größe aufweisen, daß sie sich im wesentlichen über die gesamte Dicke des Gebietes, in dem sie verwendet werden, hinweg erstrecken. Die Anzahl oder die Menge der in den Schichten vorhandenen Körnchen kann in breitem Maße variieren, in Abhängigkeit von der Anzahl der Säulen, die in den Hohlräumen erwünscht sind, die ihrerseits durch die Entfernung des sich in der Hitze verflüchtigenden Materials aus den Schichten ergeben. Sehr zufriedenstellende Ergebnisse erzielt man, wenn man als Körnchen kleine, keramische Aggregate verwendet.

In der Fig. 3 ist in stark vergrößertem Maßstab ein derartiges keramisches Aggregat vor dem Brennen dargestellt. Die Keramikteilchen 71 sind mit einem sich in der •-litze verflüchtigenden Bindemittel 73 miteinander verbunden. Diese Aggregate können in einfacher Weise beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß man eine Mischung aus fein verteiltem, keramischem, elektrisch isolierendem Material, wie es für die isolierenden Plättchen verwendet wird, und einem temporären Bindemittel, wie es für die Herstellung der elektrisch isolierenden Plättchen verwendet wird, bereitet und die Mischung trocknen läßt. Dann werden die Masse zerkleinert und die verbundenen Aggregate der gewünschten Größe durch Aussieben gewonnen. Diese Aggregate können unter geeigneten Bedingungen gebrannt werden, so daß die darin enthaltenen einzelnen Keramikteilchen zusammensintern. Es zeigt

" 1_ * _1 I_ J O L λΛ .*_*_!

eines gebundenen Blattes oder Plättchens aus einer elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, auf dem eine ein Muster bildende Schicht aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material aufgetragen ist, das für die Anwendung gemäß einer Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. und

F i g. 5 eine stark vergrößerte Teilschnittansicht einer gesinterten Keramikmatrix, die aus einer Vielzahl der in der F i g. 4 dargestellten Blätter bzw. Plättchen gebildet worden ist.

Es ist erkennbar, daß in den Zeichnungen gewisse relative Abmessungen übertrieben wiedergegeben sind.

Es versteht sich, daß man eine Mehrzahl bekannter, keramischer, elektrisch isolierender Materialien zur Bildung der elektrisch isolierenden Schichten verwenden kann. Beispielsweise kann man TiO?, Glas. Sieatit und Bariumstrontiumniobat als auch Bariumtitanat als solches, verwenden, wobei in an sich bekannter Weise die Brennbedingungen u. dgl. verändert werden, um ein befriedigendes Sintern zu erreichen.

Es versteht sich ferner, daß die Zusammensetzung der erfindungsgemäß gebildeten. Körnchen enthaltenden Gebiete verändert werden kann. Die Körnchen können aus einem geeigneten Keramikmaterial oder aus einem hochschmelzenden, oxidationsbeständigen Metall, wie Palladium, Platin, Gold und Legierungen davon, gebildet werden. Keramikmateriaiien. die zur Herstellung der beschriebenen Art als Körnchen verwendet, das Sintern der Keramikteilchen in den Aggregaten gleichzeitig mit dem Sintern der dielektrischen Schichten erfolgt, wobei sich kaum Probleme dadurch ergeben, daß durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien ein ungleichmäßiges Schrumpfen erfolgt. Ob die Aggregate nun in gebranntem oder nicht gebranntem Zustand vorliegen, besteht jedoch keine Gefahr einer schädlichen Reaktion zwischen den Körnchen und dem dielektrischen Material. Da die Art des temporären, sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemitteis, das zur Bildung der genannten Aggregate verwendet wird, nicht besonders kritisch ist, obwohl es nicht in dem Lösungsmittel löslich sein sollte, das zum Abscheiden der pseudoleitenden Schichten verwendet wird, kann eine Reihe von geeigneten Materialien verwendet werden, zum Beispiel jene, die für die Bildung der elektrisch isolierenden Keramikplättchen verwendet werden.

Das Brennen der ungebrannten Keramikblöcke. Einheiten oder Chips, durch das diese zu einheitlichen oder monolithischen Körpern gesintert werden, wird vorzugsweise in einer oxidierenden Atmosphäre wie Luft, in einem Ofen durchgeführt. Vorzugsweise verwendet man einen elektrischen Tunnelofen, obwohl man auch andere öfen oder HeizeinrichU'ngen einsetzen kann. Die Temperatur und die Brennzeit

hängen von den verwendeten Keramikzusammenset-/ungen ab. Wie oben bereits erwähnt, sind die Fachleute mit solchen Einzelheiten und der Tatsache vertraut, daß im allgemeinen die notwendige Sinterzeit der Temperatur unigekehrt proportional ist. Der hierin verwendete -, Ausdruck »Sintertemperatur« steht für die Temperatur, die da/... erforderlich ist. die gewünschten Kcramikcigenschaften des Körpers oder der Körper zu erreicher. Wie oben erwähnt, ist zur Entfernung des temporären Uindemittels, das in den Plättchen und in den κι körnchenhaltigen Schichten verwendet wird, eine längere Hei/dauer bei relativ niedrigen Temperaturen bevorzugt. Die l'ntfernung der sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien sollte vorzugsweise so langsam erfolgen, daß die Ausdehnung der bei der Zersetzung oder Verflüchtigung dieser Produkte gebildeten Gase nicht /u einem Bruch der Körper führt.

in der allgemeinen Beschreibung mmu die Pldiiclien aus dem isolierenden Material, die Körnchen enthaltenden, sich in der Hitze ze setzenden Abscheidungen sowie die damit hergestellten mehrschichtigen Schaltkreisstrukturcn als rechteckig angegeben. Die Erfindung umfaßt jedoch auch Sehaltkreisstrukturen anderer Form.

In der F-" i g. I ist eine typische keramische, mehrschichtige Schaltkreisstruktur 81 wiedergegeben, wie sie für integrierte Hybridschaltkreise verwendet wird. Die Struktur oder der Körper 81 umfaßt eine Keramikmatrix 83 und mehrere Leiter 85, die sich in und/oder durch die Matrix erstrecken. Die Dicke jo sowohl der Leiter als auch der Matrix ist in der Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit übertrieben dargestellt. Bislang sind solche Strukturen mit einem kostspieligen Verfahren hergestellt worden, das normalerweise darin besteht, daß man auf einer Vielzahl r> von temporär gebundenen Plättchen der gewünschten Dicke aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial, wie feinem Aluminiumoxidpulver, mit dem Siebdruckverfahren eine metallische. Elektroden bildende Paste, die ein Edelmetall wie Palladium oder Platin enthält mit Afiftt opu/iincfhtpn Mtistpr aiifhrintJI die - t^ — ■

verschiedenen bedruckten Plättchen und ein oder mehrere unbedruckte, die Oberseite und die Unterseite bildende Plättchen, aufeinanderstapelt und verfestigt und den verfestigten Stapel zu einem einheitlichen ·4"> Körper zusammensintert.

Wie oben bereits erwähnt, können solche keramischen, mehrschichtigen Schaltkreisstrukturen unter Anwendung von Verfahrensweisen hergestellt werden, die ähnlich jenen sind, die hierin angegeben sind, ■'><· wodurch die Notwendigkeit entfällt, kostspielige Edelverwendet. Dann werden mit dem Siebdruckverfahren und unter Anwendung einer hierfür geeigneten Druckmasse oder Druckfarbe, die im wesentlichen aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material besteht, in dem eine geeignete, relativ kleine Menge von Keramik- oder Metall-Körnchen enthalten ist, auf die Plättchen oder Blätter B und C Pseudoleiter 87 aufgedruckt, die den Wegen der gewünschten Leiter 85 in der in der F i g. 1 dargestellten Struktur folgen. Es versteht sich, daß die Muster der dargestellten Pseudoleiter 87 nur beispielhaft sind und für beliebige Anordnungen angewandt werden können. Die bedruckten Plättchen werden aufeinandergestapelt und mit einem oder mehreren unbedruckten Dcckplättchen bedeckt, wonach der Stapel in geeigneter Weise verfestigt und erhitzt wird, um die sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien zu entfernen und das in den Planchen cntrialicnc Kcr;;rnikrnalcria! zu e^em einheitlichen Körper zusammenzusintern. Das Verfestigen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß man während etwa einer Minute bei einer Temperatur von 85^CC einen Druck von etwa 104 kg/cm² auf den Stapel ausübt. Die durch das Brennen gebildete einheitliche oder monolithische Matrix umfaßt einen dichten Körper aus der isolierenden Keramikzusammensetzung, in dem Hohlräume oder Kanäle vorhanden sind, die lediglich durch diskrete Säulen 86 unterbrochen sind, die im wesentlichen voneinander getrennt sind, jeder der Kanäle steht mit mindestens einem Bereich einer Fläche, zum Beispiel einer Seitenfläche, des Körpers in Kontakt. Dann werden Leiter gebildet, die in die und durch die Körper führen, indem man in die Kanäle ein geeignetes leitendes Material, vorzugsweise eir. Metall, einführt.

Die in dieser Weise gebildete Matrix weist eine bestimmte Anzahl dünner Kanäle zwischen zwei aneinander angrenzenden Schichten aus nicht leitendem Keramikmaterial auf. Die nicht gebrannten Körper enthalten Schichten aus nicht leitendem Keramikmaterial, das mit einem sich in der Hitze ve;flüchtigenden, temporären Bindemittel verbunden ist, zwischen denen Abscheidungen oder Schichten aus einem Körnchen enthaltenden, sich in der Hitze verflüchtigenden Material vorhanden sind, die als Pseudoleiter dienen, wobei die Matrices nach dem Sintern dicnie, im wesentlichen parallel angeordnete Keramikschichten mit dazwischenliegenden planaren Hohlräumen umfassen, die lediglich durch diskrete Säulen unterbrochen sind, die im wesentlichen voneinander getrennt sind, und in die ein leitendes Material wie ein Metall eingeführt werden kann. Wegen der Möglichkeit, unterschiedliche,

metalle ais Leiter zu verwenden, uie nerbienung enic-i in der F i g. 1 dargestellten Struktur unter Anwendung der erfindungsgemäßen Technik sei im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben. Es versteht sich, daß das beschriebene Verfahren nur ein Bespiel darstellt und auch andere Verfahrensweisen angewandt werden können, gemäß denen z. B. Keramikblöcke gebildet werden, die dann zu einzelnen Schaltkreisstrukturkörpern zerschnitten werden können.

Man formt die in der Fig. 2 dargestellten Plättchen oder Blätter A. B und C mit der gewünschten Größe, Form und Dicke durch Vergießen. Formen oder ähnliche Behandlung einer gewünschten, elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, zum Beispiel fein verteiltem Aluminiumoxid, wobei man ein sich in der Hitze verflüchtigendes Material, wie ein Harz, Äthylcellulose etc. als temporäres Bindemittel dafür

U! UCI I1II/.C VCl

keramische Materialien für die Herstellung der Körper zu verwenden, werden auch die Heiz- und Sinter- Maßnahmen andersgeartet sein. Der Fachmann ist jedoch in der Lage, zufriedenstellende Behandlungszeiten und -lemperaturen auszuwählen.

Es kann irgendein geeignetes Verfahren dazu verwendet werden, das leitende Material einzuführen. In geeigneter Weise können an ausgewählten, freiliegenden Leitern oder Abschlußelektroden, wenn diese verwendet werden, Leitungsdrähte befestigt werden, und es können auch an vorherbestimmten Stellen kleine Bauteile, wie Transistoren. Dioden etc. festgelötet werden, wobei die mit diesen Bauteilen verbundenen Leitungsdrähte gewünschtenfalls über Löcher 89. die an den gewünschten Stellen in einer oder mehreren der isolierenden Keramikschichten vorgesehen sind, mit

darunterliegenden Leitern 85 verbunden werden kön nei'i. Diese Löcher können, wenn sie ein leitendes Material enthalten, auch da/u dienen, die auf zwei oder mehreren übereinanderliegenden Schichten des Schaltkreisplättchens ''orliegender Leiter elektrisch miteinander zu verbinden.

Es versteht sich, daß bei der erfindungsgemiißen Herstellung von mehrschichtigen Schaltkreisstruktüren eine beliebige Anzahl von Plättchen oder Blättern aus der temporär gebundenen, isolierenden Kcramikzi:sammensetzung, auf die das Muster der Pseudoleiter aufgedruckt oder in anderer Weise aufgetragen ist, verwendet werden kann. Somit kann man Strukturen herstellen, die auf einer Anzahl unterschiedlicher Lagen Leiter aufweisen. Die Dicke der Keramikplättchen und der pseudoleitenden Schichten können innerhalb eines relativ weiten Bereiches variieren. Im allgemeinen l-wic-if-»»η ί-Ιΐί» PlH t !/">Κ*»η ifiilfwhi ριπρ F^i/^L·*» im Πί*Γ*ΜΓ*Ι"» unn

etwa 0,05 mm bis etwa 0,25 mm, während die Pseudoleiter eine Dicke im Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,04 mm aufweisen. Es ist zu ersehen, daß relativ dünne Strukturen daher eine Vielzahl von Leitern enthalten können. Die Brei'e der Pseudoleiter und daher der Kanäle für das leitende Material kenn beliebig verändert werden. |edoch besitzen diese Kanäle im wesentlichen in allen Fällen Querschnitte, dit, verglichen mit dem Matrixkörper, klein sind und verlaufen im allgemeinen senkrecht zu der Richtung, in dei die Struktur am dünnsten ist. Wegen der relativen Dünne der Kanäle, verglichen mit ihrer Breite und Länge, können sie als planare Hohlräume angesehen werden.

Wie bereits angegeben, ist eine Reihe von Abänderungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Zum Beispiel kann man statt eine Schicht aus dem sich in der Hitze verflüchtigenden Material ut;d den Keramik- oder Metall-Körnchen auf die kleinen, verbundenen Keramikpläuchen aufzudrucken, kleine Stückchen eines geeigneten, vorgebildeten, in der Hitze zersetzbaren Kinststoffilms geeigneter Größe und Form, der dispergierte Metall- und/oder Keramik-Körnchen und ein feines, 'Trennbares Material enthält, in geeigneter Weise zwischen die Plättchen legen, wenn der Plättchenstapel aufgebaut wird. Weiterhin können die Schichten aus dem körnchenhaltigen. sich in der Hitze verflüchtigenden Material gewünschtenfalls durch Aufmalen oder Aufsprühen aufgetragen werden. Als weiteres Alternativverfahren kann auf beide Seilen eines gebundenen, elektrisch isolierenden Kcramikinaterijls eine Schicht aus einem Körnchen enthaltenden, sich in der Hitze verflüchtigenden Material aufgetragen werden, wodurch es überflüssig wird, solche Schichten auf die in dem Stapel darüber- und daruiiieriiegendtii Plättchen aufzubringen. Um den dünnen Chips oder Körnchen physikalische Festikeit zu verleihen und ihre Bruchbeständigkeit zu erhöhen, kann man den gebildeten Stapel mit zwei Extraplättchen oder Blättern versehen, die keine derartigen Schichten aufweisen.

Es ist erkennbar, daß die Zusammensetzungen zur Bildung der elektrisch isolierenden Plättchen oder Blätter und der Pseudoleiter. die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Keramikmatrices verwendet werden, in weiten Bereichen variiert werden können. Weiter oben ist daher bereits eine Vielzahl geeigneter Kei amikmatcrialicn angegeben. Es gibt auch eine eroße Viel :ahl von geeigneten Medien oder Trägrrmaterialicn. die für diese Keramikmaterialien als sich in der

erhältlich oder können ohne weiteres von dem Fachmann hergestellt werden. Im wesentlichen besteht der Zweck diesir Medien und Trägermaterialien darm. clic zur Bildung der Plättchen und/oder Schichten "> verwendeten Teilchen zu suspendieren und zu dispergieren und eine temporäre, sich in der Hitze verflüchtigendes Bindemittel zu bilden, während die Plättchen und/oder Schichten daraus geformt und die ungebrannten Keramikkörper aus einer Vielzahl dieser

ίο Plättchen und Schichten aufgebaut werden. In den gesinterten Keramikkörpern ist dieses temporäre Bindemittel nicht mehr enthalten. Demzufolge wählt man das verwendete Medium und/oder Trägermaterial im wesentlichen aus Gründen der Bequemlichkeit und der Zugänglichkeit aus.

Da der Zweck des sich in der Hitze verflüchtigenden Materials der pseudoleitenden Schichten darin besteht, pinpn Triippr für flip kprnmikhaltii^en Plättchen oder Schichten zu bilden oder diese zu trennen, bis sie selbst tragend geworden sind, so daß nach dem zur Entfernung der sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien angewandten Heizzyklus die gewünschten Hohlräume oder Kanäle in den gesinterten Matrices zurückbleiben, sollten die Pseudoleiter die temporär gebundenen Keramikplättchen nicht in nachteiliger Weise beeinflussen und sollten so lange vorhanden bleiben, bis die Plastizität der Plättchen so weit abgenommen hat. daß sie steif geworden sind und sich nicht verformen oder durchhängen und in dieser Weise die Hohlräume oder Kanäle verschließen. Wenn das zum Aufdrucken di r Pseudoleiter verwendete filmbildende Material diesem Erfordernis nicht entspricht, ist es notwendig, ein teilchenförmiges. sich in der Hitze verflüchtigendes Material zuzusetzen, das das gewünschte Ergebnis

Ja liefert, wenn eine ausreichende Menge dieses Materials zu der Pseudoleiter-Zusammensetzung zugesetzt wird.

Bei der Auswahl eines solchen teilchenförmigen, sich in der Hitze verflüchtigenden Materials ist es jedoch von Bedeutung, jene Materialien zu vermeiden, die bei

•<o dem Verbrennen eine merkliche Menge Asche hinterlassen, die Elemente enthält, welche für die in den Keramikplättchen oder -blättern verwendete elektrisch isolierende Zusammensetzung schädlich sind. Im allgemeinen sind für diesen Zweck feine Teilchen aus

⁴^ Kohlenstoff oder einem verkohlbaren Material, wie beispielsweise Stärke und Cellulose, geeignet. Bevorzugte Vertreter der großen Anzahl von sich in der Hitze verflüchtigenden, filmbildenden Materialien, die zusammen mit derartigen teilchenförmigen Materialien zur

ϊ" Bildung der sich in der Hitze verflüchtigenden Schichten oder Abscheidungen verwendet werden können, sind Aihyiceiiulöse. Acryloidfiarze und Polyvinylalkohol. Ein geeignetes Lösungsmittel für das filmbildende Material wird in einer solchen Menge verwendet, diß die Masse

ϊΐ die gewünschte Viskosität erhält.

Wie bereits erwähnt, können in gewissen Fällen die Säulen enthaltenden Hohlräume oder Kanäle zwischen den Keramikschichten dadurch gebildet werden, daß man vorgebildete, sich in der Hitze verflüchtigende

w Filme einsetzt, wozu man einen dünnen Film aus einem geeigneten Harz verwendet, das beispielsweise Kohlenstoffteilchen und geeignete Körnchen aus Metall oder Keramik enthält. Für diesen Zweck ist ebenfalls eine dünne Abscheidung aus einer Mischung aus einem

¹^ feinen, körnigen, brennbaren Material, wie Kohlenstoff und geeigneten Körnchen aus Metall oder Keramik joeig:;·.'¹;. ^;iii' kc-'p Bindern!';·?' ?-■■'■;.'' ':n:i ·η Form des ■"."■.vü'"schic" \i;iⁱ.i;vs ode" c-7 ~ ^-un^hien Anord-

it

ming auf den Keramikplättelien abgeschieden wird. Das mit dem Ausdruck »sich in der Hitze verflüchtigende« bezeichnete Material ist ein Material, das sich bei den .iiigi'gfbonen Verfahrensbedingungen als solches verflüchtigt oder vollständig, gegebenenfalls im Rahmen einer Oxidation, zu sich verflüchtigenden Produkten umgewandelt wird.

Ks kann eine Reihe von Verfahrensweisen zusätzlich /u den oben beschriebenen dazu verwendet werden, die Säulen auszubilden. Zum Beispiel kann man ein /.weistufendruckverfahren anwenden, gemäß dem man mittels Siebdruck ein gewünschtes Gittermuster aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material auf Plättchen aus feinem elektrisch isolierendem Material abscheidet, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material verbunden ist, wonach man Keramik körnchen oder ein Keramikmaterial, das beim Sintern Säulen bildet, in einem sich in der Hitze verflüchtigendes Trägermaterni dispergiert und auf Hie unbedeckten Bereiche de Gittermusters auftragt. Gewünschtenfalls kann das Verfahren in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, so daß man zunächst die Keramik- oder Metall-Körnchen in Form eines Gittermusters aufträgt und anschließend eine sich in der Hitze verflüchtigende Abscheidung, die keine derartigen Körnchen enthält, aufdruckt.

Gemäß einer weiteren Abänderung können die Säulen nach einem dem eben beschriebenen Verfahren ähnlichen Verfahren gebildet werden, mit dem Unterschied, daß man statt die vorgebildeten Körnchen in die freien Bereiche des Gittermusters einzubringen, diese Bereiche mit einer Zusammensetzung versieht, in der ein Material enthalten ist. das beim Sintern Säulen bildet. Zum Beispiel kann man eine herkömmliche Platin oder Palladium enthaltende, elektrodenbildende Paste verwenden, die in Form kleiner Bereiche oder Flecken mit der gewünschten Dicke aufgetragen wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Schicht aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material, beispielsweise nach dem Siebdruckverfahren, auf eine Vielzahl von Plättchen aus einem fein verteilten Keramikmatenal. das mn einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel verbunden ist, aufzubringen, wobei man einen oder mehrere, im Abstand angeordnete Bereiche freiläßt, so daß in der Schicht Löcher gebildet werden. Wenn eine Vielzahl von Plättchen mit solchen Schichten zusammen verfestigt und gebrannt wird, um die sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien zu beseitigen und das Keramikmaterial zu sintern, verformen sich die oberhalb und/oder unterhalb der freigelassenen Bereiche oder Löcher vorhandenen Plättchen in dem Maße, daß in den Löchern keramische Säulen gebildet werden. Nach Beendigung des Brennvorganges stehen diese Säulen natürlich in dem Hohlraum, der sich durch das Verschwinden des die Schicht ausmachenden, sich in der Hitze verflüchtigenden Materials gebildet hat.

Die F i g. 4 und 5 verdeutlichen in schcrnciischer Weise das zuletzt erwähnte Verfahren. Die F i g. 4 zeigt eine stark vergrößerte Teildraufsicht, in der zwei Blätter 91 aus fein verteiltem Keramikmaterial dargestellt sind, das mit einem geeigneten, sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel verbunden ist. und zwischen die eine Schicht 93 eingebracht ist, die aus einem sich in der Hitze verfiüdiiigenden Material besieht, in der Schicht 93 ist eine Vielzahl von in einem Abstand angeordneten Löchern 95 vorgesehen. In der Fie. 5 ist eine noch stärker versrößerie Teilschnittanischt länsrs der Linie 10- IO der Γ i g. 4 gezeigt. Fs ist ein Teil des in der F i g. 4 wiedergegebenen Körpers zu sehen, nachdem dieser, in der oben beschriebenen Weise verfestigt und gebrannt worden ist. um die sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien zu entfernen und das Keramil.inaicrial zu sinicrn. Die Bezugsziffer 97 steht für eine in dem planaren Hohlraum 99 angeordneten Kcramiksäulc, die durch eine Deformation der oberhalb und unterhalb des Loches 95 liegenden Keramikplättehen und ein

in Findlingen des Keramikmaterials aus diesen Schichten gebildet worden ist. Fs versteht sich, daß, obwohl in den F ι g. 4 und 10 nur zwei Keramikblätter und eine dazwischenliegende Schicht aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material dargestellt sind, zur Bildung

ii von mehrschichtigen Schaltkreisstrukturen viele derartige Blätter und da/wischenliegende Schichten übereinandergelegt werden können, und daß ähnliche Säulen mit anderen Löchern 95 während der Verfestigung und des Brennens des ßlätier- und Schicht-Stapels gebildet werden. Die Form der Löcher 95 ist nicht kritisch, und sie können daher beliebig gestaltet werden. Wegen der Schwierigkeit, die Schichten aus dem sich in der Flitze verflüchtigenden Material mit sehr kleinen Löchern >.u versehen, beträgt die kleinste horizontale Abmessung

2) dieser Löcher üblicherweise ein Mehrfaches der Dicke der Schicht aus dem sich in der Hitze verflüchtigenden Material, in das sie eingearbeitet worden sind. In jedem Fall sollte jedoch die kleinste horizontale Abmessung mindestens so groß sein, wie die Dicke der Schicht. Die

)'i Anzahl und die Anordnung der Löcher kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl und Position der Säulen verändert werden.

Es sei wiederholt, daß die Funktion der Säulen darin besteht, die Hohlräume oder Kanäle der erfindungsgemaß gebrannten Körper zu stützen, wodurch die Druckfestigkeit der Körper in ausreichender Weise gesteigert wird und sich die Möglichkeit eines Bruches bei der Handhabung verkleinert. Offensichtlich variiert die Anzahl der Säulen, die notwendig ist, um zu der gewünschten Festigkeit zu "uhren, mit der Größe rnd der Form der Hohlräume oder der Kanäle. Um in cen Hohlräumen oder Kanälen eine offene Suukiui aufrechtzuerhalten, sollten die Säulen nicht ·. ^r*hr als 40 Vol.-% des Volumens des Hohlraumes oder des Kanals ausmachen, wobei in den meisten Fällen 10Vol.-% oder weniger erwünscht sind. Wenn der Hohlraum oder der Kanal sehr klein ist, kann in der Tat nur eine einzige Säule erwünscht sein. Wenn die Säulen mittels keramischer oder metallischer Körnchen in einer pseudoleitenden Schicht gebildet werden, sind sie natürlich statistisch angeordnet. Wie bereits erwähnt, sollten sie jedoch so weit getrennt voneinander angeordnet sein, daß sie kein wesentliches Hindernis für das Eindringen des leitenden Materials in die Hohlräume darstellen, so daß die Konzentration der Körnchen in dem Pseudoleiter nicht größer sein sollte als die Konzentration, die zur Erzielung der gewünschten Festigkeit notwendig ist. Vorzugsweise besitzen die Säulen einen Durchmesser, der etwa der Dicke des

so Pseudoleiters. in dem sie enthalten sind, entspricht.

Wie bereits angegeben, verwendet man als das in die dünnen Hohlräume einzuführende leitende Material, das die inneren Elektroden des Kondensators oder die Leiter einer Schaltkreisstruktur bildet, vorzugsweise ein

"· Meta!!. Dieser Ausdruck umfaßt sowohl reine Metalle als auch Legierungen und in gewissen Fällen auch Halbmetalle oder Metalloide, zum Beispiel Germanium. Geeignete Metalle sind Blei. Zinn, Zink, Aluminium.

Silber und Kupfer. Das verwendete Metal) sollte einen Schmelzpunkt haben, der niedriger liegt als die beim Sintern der Keramik der Matrix verwendete maximale Temperatur und das Metall sollte nicht in nachteiliger Weise mit den Bestandteilen der Matrix reagieren.

Der hierin verwendete Ausdruck »dicht« bedeutet, daß das in dieser Weise bezeichnete Material beim Eintauchen in Wasser im wesentlichen kein Wasser absorbiert, während das Wort »dünn« einen relativen Begriff darstellt, der beispielsweise in bezug auf die Keramikschichten eine Dicke im Bereich von 0,5 mm

oder weniger einschließt. Für besondere Zwecke können diese Schichten jedoch dicker sein.

Die Ausdrücke »obere«, »untere«, »Oberseite«, »Unterseite«, »rechts«, »links«, »oberhalb«, »unterhalb« und ähnliche Ausdrücke betreffend die Position und/oder Richtung, die hierin in bezug auf die Zeichnungen verwendet werden, dienen lediglich zur Erleichterung des Verständnisses und !bedeuten nicht, daß die Strukturen oder deren Einzelteile derart angeordnet sein müssen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrschichtige Schaltkreisstruktur mit einem relativ dünnen, einheitlichen Körper aus einer gesinterten, elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, der in einem Kanal vorbestimmter Größe und Form, der sich bis zu mindestens einer Oberfläche des Körpers erstreckt und, verglichen mit dem Körper, eine kleine Querschnittsfläche aufweist, mindestens einen inneren elektrischen Leiter umfaßt, wobei der Leiter aus einem Metall gebildet ist, das einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger liegt, als die beim Sintern der Keramikzusammensetzung angewandte maximale Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal im Inneren mit einer oder mehreren diskreten Säulen aus Keramik oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt versehen ist, die sich zwischen der Oberseite una der Unterseite des Kanals erstrecken und diese berühren, und wobei, wenn eine Vielzahl dieser Säulen vorhanden ist, diese Säulen voneinander getrennt angeordnet sind und nicht mehr als 40 Vol.-%, vorzugsweise nicht mehr als 10 VoL-⁰Zo des Volumens des Kanals ausmachen.

2. Schaltkreisstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl der Leiter aufweist.

3. Schaltkreisstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Leite auf jo unterschiedlichen Ebenen des Körpers vorliegen.

4. Schaltkreisstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Leiter sich bis zu unterschiedlichen Randbert.chen des Körpers hin erstrecken. ιί

5. Schaltkreisstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Leiter auf unterschiedlichen Ebenen des Körpers vorliegen.

6. Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Schaltkreisstruktur nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man einen verfestigten Stapel herstellt, der eine Vielzahl relativ dünner Blätter aus einem fein verteilten Keramikmaterial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel gebunden ist, umfaßt, wobei eine 4^r> Vielzahl der Blätter ein vorbestimmtes Muster trägt, das mit einer Zusammensetzung gebildet ist, die aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material und einer geringeren Menge keramischer und/oder metallischer Körnchen solcher Größe, daß sie sich >o im wesentlichen über die gesamte Dicke des Musters hinweg erstrecken, besteht; den verfestigten Stapel erhitzt, um das sich in der Hitze verflüchtigende Material zu entfernen und eine gesinterte Keramikmatrix zu bilden, in der im wesentlichen dünne, leere, ">"> den Mustern entsprechende Kanäle vorhanden sind, die lediglich durch die Körnchen unterbrochen werden; und in die Kanäle ein leitendes Material einführt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn- wi zeichnet, daß man als leitendes Material ein Mitall verwendet.