DE2543922C3 - Leitermasse - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft die Elektronik, insbesondere Edelmetallmassen bzw. -Stoffzusammensetzungen, die
sich für die Erzeugung von an Unterlagen bzw. Substraten haftenden Leitermustern eignen.
Leitermassen, die auf keramische, dielektrische Unterlagen aulgetragen und auf diesen gebrannt
werden, werden gewöhnlich von feinteiligen Fdelmetallteilchen und Teilchen anorganischen Bindemittels
gebildet und gewöhnlich auf Unterlagen unter Anwendung sogenannter »Dickfilm«-Techniken als Dispersion
anorganischer Pulver in einem inerten flüssigen Medium oder Träger aufgetragen. Die metallische Komponente
der Masse steuert die Funktionalität (Leitfähigkeit) bei, während das anorganische Bindemittel (z. B. Glas, Bi2Oi
usw.) die Metallteilchen aneinander und an die Unterlage bindet. Dickfilmtechniken stehen im Gegensatz
zu »Dünnfilmw-Techniken, bei denen eine Aufbringung von Teilchen durch Aufdampfen oder Zerstäuben
erfolgt. Dickfilm-Techniken sind allgemein im »Handbook of Materials and Processes for Electronics«,
herausgegeben von C. A. Harper, McGraw-Hill,
N.Y., 1970, Kapitel 12, erörtert.
Die US-PS 32 93 501 beschreibt die Herstellung leitfähiger Filme aus Edelmetallen zuzüglich Kupfergläsern.
Die US-PS 37 76 769 beschreibt Leitermassen (die in reduzierenden Atmosphären gebrannt werden) aus
Edelmetall, 1 bis 50% Kupfer oder dessen Oxid(en) und glasartigem Bindemittel. Die Notwendigkeit, in einer
nicht von Luft gebildeten Atmosphäre zu brennen, stellt einen deutlichen technischen Mangel dar. Die US-PS
33 50 341 schließlich beschreibt Silbermassen, die von einem PbF2-haltigen Glas gebildet werden.
Heute verfügbare glashaltige Goldmassen enthalten oft große Mengen an Glasbindemittel, das bei der
Beam-Lead-Reparatur (»Beam Lead« ist die Bezeichnung für die Ab- bzw. Zuleitungen in Form der an
Leitermuster auf einer Unterlage angesetzten Drähte — nachfolgend kurz Leitungsreparatur — ) stört.
Zu Edelmetall-Leitermassen mit glasfreiem Bindemittel gehören die folgenden: Nach GB-PS 8 55 625
werden Massen aus z. B. Silber zuzüglich Kupferoxid zuzüglich eines kleineren Anteils an einem dritten,
»inerten« Material eingesetzt, das durch geschmolzenes Silber und Kupferoxid benetzt zu werden vermag. Das
inerte Material kann Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumdioxid, Titandioxid, Chrom(III)-oxid oder
Aluminiumoxid-Silicat sein. Die Brenntemperaturen liegen über 940° C, vorzugsweise zwischen 1000 und
1100°C. »Inertes«, bei der Brenntemperatur schmelzendes
Material ist nicht vorgesehen. Glasfreie Leitermassen aus Silber zuzüglich Kupferoxid sind seit mindestens
15 ]ahren im Handel und solche aus Gold zuzüglich Kupferoxid seit mehr als 6 Jahren. Leitermassen aus
Gold und Kupferoxid sind von Gucker u. a., Am.
Ceram. Soc. Bull., 46, 789 (1967) beschrieben worden. In
US-PS 37 99 890 und 37 99 891 sind glasfreie Goldleitcrmassen
mit einem Kupferoxid-Bindemittel und in US-PS 37 99 891 auch mit Cadmiumoxid beschrieben.
Die US-PS 37 63 409 beschreibt Kondensatorelektrodenmassen, einschließlich solcher aus Palladium oder
Palladiumoxid und Kupfer oder Kupferoxid.
Glasfreie Goldleitermassen mögen zwar kleinere Mengen an Bindemittel als herkömmliche glasgebundene
Massen erfordern, müssen aber zur Erzielung ähnlicher Haftungswerte oft bei höheren Temperaturen
als die glasgebundenen Systeme gebrannt werden. Ferner erfordern Gold/Kupferoxid-Massen vor thermischer
Preßbindung eine chemische Reinigung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Goldleitcrmassen zur Verfugung zu stellen, die außer
Goldpulver geringe Mengen von anorganischem Bindemittel enthalten, wobei die Bindemittelmenge ausreichen
soll, um das Gold beim Brennen an die dielektrische Unterlage zu binden, andererseits aber auf
ein Minimum beschränkt sein soll, um die Leitfähigkeit zu erhöhen; denn wenn die Bindemittelmenge zu groß
ist, wird die Leitfähigkeit zu stark herabgesetzt.
Ferner stellt sich die Erfindung die Aufgabe, diese gute Leitfähigkeit und das gute Haftvermögen bei
niedrigen Brenntemperaturen zu erzielen, nicht nur um Energie zu sparen und die Verarbeitung zu erleichtern,
sondern auch, um die Beeinträchtigung irgendwelcher anderer elektrischer Funktionen auf der gleichen
I Jnterlage nach Möglichkeit zu unterdrücken.
Wahrend bekannte Goldleiterzusammensetzungen
oft chemische Vorbehandlungen erforderten, um die Goldleitermuster zu reinigen, wodurch die Kosten
erhöht und andere Funktionen einer möglichen chemischen Schädigung ausgesetzt wurden, will die
Erfindung es ermöglichen, andere Teile an solche Goldmuster anzuschließen, und die aufgebrannten
Goldmuster sollen, vorzugsweise unmittelbar nach dem Aufbrennen, der Anwendung thermischer Preßbindungsmethoden
zugänglich sein.
Schließlich sollen goldhaltige Massen zur Verfügung gestellt werden, die die Ausbesserung von Leitermustern
gestatten, die bei der Beam-Lead-Bindung an Halbieiterplättchen verwendet werden; denn wenn die
Ausbesserung sich nicht leicht durchführen läßt, müssen fehlerhafte Plättchen verworfen werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst
Die chemische Zusammensetzung des Bindemittels — und allgemeine und bevorzugte Anteile für Gold und
Bindemittel — sind in Tabelle 1 genannt Das CU2O kann vollständig oder teilweise durch molar äquivalente
Mengen an CuO ersetzt sein. Die Zusammensetzung des Glases in dem Bindemittel ergibt sich aus Tabelle II.
Tabelle I
Goldmasscn
Goldmasscn
Komponente | Anteil, (iew.-"A | hevor/ugl |
allgemein | 96,1 | |
Gold | 95,0-98,1 | 3,9 |
Bindemittel | 1,9- 5,0 | U |
1'bF, | 0,3- 1,5 | 0,3 |
Cu, O | 0,06- 0,32 | 1,1 |
CdO | 0,2- 1,5 | 1,4 |
Glas | 0,5- 1,95 | |
Tabelle Il | ||
Cilas in Goldmasscn | gemäß Tabelle I | |
Komponente | Anteil, (iew.-% | hevor/ugl |
»!!gemein | ||
45 | -52 | 48,5 |
3 | - 6 | 3,0 |
30 | -35 | 33,5 |
4 | - 6 | 5,5 |
2 | - 4 | 2,7 |
0 | - 1 | 0,6 |
I | - 4 | 2,5 |
0 | - 4 | 2,4 |
0 | 1,3 |
45
In diesen Massen liegen normalerweise 7 bis 15 Teile
Träger und - auf 100 ergänzend — 85 bis 93 Teile anorganische Feststoffe (Gold zuzüglich anorganisches
Bindemittel) vor, aber man kann diese Anteile in Abhängigkeit von dsn Eigenschaften beim Drucken und
der Unterlagebedeckung, die gewünscht werden, auch variieren.
Gebrannte Leiter gemäß der Erfindung sind Leitungsreparaturen der obengenannten Art und der
thermischen Preßbindung zugänglich und können nach langzeitigem Verweilen bei erhöhter Temperatur
bessere Haftungswerte zeigen.
Die Erfindung ist nachfolgend im einzelnen beschrieben. ()O
Das Glas in dem anorganischen Bindemittel für die Zwecke der Erfindung ist nach herkömmlichen Glascrzeugungstechniken
erhältlich, indem man die gewünschten Komponenten (oder Vorläufer derselben,
z. B. HjBO) für B2Oi usw.) in den gewünschten Anteilen <\s
mischt und die Mischung zur Bildung einer Schmelze erhitzt. In der der Technik vertrauten Weise erhitzt man
eine solche Zeit auf eine solche Scheiteltemperatur, daß die Schmelze vollständig flüssig wird, aber dennoch
keine Gasentwicklung zu beobachten ist. Die Schmelze wird dann gefrittet (Teilchen-Herstellung), indem man
sie abkühlt, typischerweise durch Aufgießen auf ein kaltes Band oder Eingießen in kaltes laufendes Wasser.
In der jeweils gewünschten Weise kann dann eine weitere Verminderung der Teilchengröße durch Mahlen
erfolgen.
Mit Ausnahme der Glasphase sind die Komponenten des anorganischen Bindemittels kristallin. Es wird
angenommen, daß Kupferoxid und Cadmiumoxid an chemischen Reaktionen beteiligt sind, die für die
Haftung ursächlich sind, und daß PbF2 zur Herabsetzung
der Brenntemperatur und zur Reinigung der Bindungsfläche beiträgt. Das Glas dient dazu, die Brenntemperatur
herabzusetzen, Spielraum bezüglich der Brenntemperatur zu ergeben und Bindemittel über die Unterlageoberfläche
zu verteilen (und infolgedessen die Haftung zu steigern). Große Mengen an Kupferoxid
und/oder PbF2 führen zu einem Verlust an Bindungsvermögen
bei der thermischen Preßbindung. Große Mengen an CdO vermindern die Haftung. Große
Mengen an Glas setzen die Leitfähigkeit und Zugänglichen zur Leitungsreparatur wie auch das Bindungsvermögen
für die Zu- bzw. Ableitungen und die Bindungsfähigkeit herab.
Die Goldpulver gemäß der Erfindung können bis zu 10 Gew.-% an Palladium und/oder Platin enthalten,
ohne daß die Haftungs- und Bindungscharakteristiken beeinträchtigt werden.
Die in den Massen gemäß der Erfindung eingesetzten anorganischen Teilchen (Edelmetallpulver und Pulver
anorganischen Bindemittels) werden gewöhnlich als feinteilige Pulver beschrieben und sind im allgemeinen
genügend feinteilig, um ein Sieb von 0,074 mm lichter Maschenweite, vorzugsweise 0,037 mm lichter Maschenweite
(200- bzw. 400-Maschen-Siebe nach der US-Standard-Siebreihe) zu passieren. Typischerweise
haben im wesentlichen alle Teilchen Abmessungen im Bereich von 0,01 bis 10 Mikron, vorzugsweise 0,01 bis 10
Mikron, in besonders bevorzugter Weise 0,1 bis 5 Mikron.
Die Metall- und Bindemittelteilchen werden durch mechanisches Vermengen (z. B. auf einem Walzenmahlwerk)
mit einem inerten, flüssigen Träger zur Bildung einer pastenartigen Masse vermischt. Diese Masse wird
in herkömmlicher Weise als »Dickfilm« auf herkömmliche, dielektrische Unterlagen (wie Aluminiumoxid,
Saphir usw.) aufgedruckt. Als Träger kann jede inerte Flüssigkeit Verwendung finden, wie Wasser oder
irgendeine der verschiedenen organischen Flüssigkeiten mit oder ohne Dickungs- und/oder Stabilisierungs-
und/oder andere gewöhnliche Zusatzmittel. Für die organische Flüssigkeiten beispielhaft sind die aliphatischen
Alkohole, Ester solcher Alkohole, z. B. die Acetate und Propionate, Terpene, wie Pine-Öl, Terpineol
und dergleichen, Lösungen von Harzen, wie der Polymethacrylate von niederen Alkoholen, oder Lösungen
von Äthylcellulose in Lösungsmitteln in Art von Pine-Öl und des Monobutyläthers von Äthylenglykolmonoacetat.
Der Träger kann auch flüchtige Flüssigkeiten enthalten oder von solchen gebildet werden, um ein
rasches Erstarren nach dem Aufbringen auf die Unterlage zu fördern.
Das Verhältnis des inerten, flüssigen Trägers zu Feststoffen in den Dispersionen kann sehr verschieden
gewählt werden und hängt von der Art und Weise, in der die Dispersion aufzutragen ist, und der angewandten
Art des Trägers ab. Beim Aufdrucken von Edelmetallmassen mit geringen Mengen an anorganischem
Bindemittel ist zur Maximierung von Bedeckung und Filmdichte oft das Vorliegen eines sehr hohen
Goldgehalts der Masse zu bevorzugen. Während man beim Einsatz der anorganischen Materialien gemäß der
Erfindung mit sehr verschiedenen Verhältnissen von Feststoffen zu Träger arbeiten kann, enthalten somit
bevorzugte Zusammensetzungen die genannten Anteile an Edelmetall, Bindemittel und Träger. Die Massen
gemäß der Erfindung können naturgemäß auch durch Zusatz anderer Materialien modifiziert werden, welche
die vorteilhaften Eigenschaften der Massen nicht nachteilig beeinflussen. Weiter kann man auf Kosten
einer gewissen Einbuße an gewissen elektrischen Eigenschaften auch mit größeren Mengen an Bindemittel
arbeiten.
Nach dem Trocknen zur Entfernung des inerten Trägers erfolgt das Brennen der Massen gemäß der
Erfindung bei genügenden Temperaturen und Brennzeiten, um die anorganischen Materialien zu sintern und
Leitermuster zu bilden, die an der dielektrischen Unterlage haften. In Abhängigkeit von den gewünschten
Eigenschaften und der angewandten Zusammensetzung liegen die Brenn-Scheiteltemperaturen im allgemeinen
im Bereich von 800 bis 10200C, vorzugsweise
von 900 bis 9500C, in besonders bevorzugter Weise bei
etwa 925°C, bei einer Dauer von unter '/2 Stunde und
vorzugsweise von 5 bis 20 Minuten.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. In den Beispielen wie auch der
sonstigen Beschreibung und den Ansprüchen beziehen sich, wenn nicht anders gesagt, alle Prozent-, Anteil- und
Verhältnisangaben usw. auf das Gewicht.
Es wurden Massen unter Einsatz von 89 Teilen anorganischer Feststoffe (Gold und Bindemittel) in 11
Teilen eines Trägers aus Äthylcellulose, Kolophonium und Acrylatpolymeren in einem Lösungsmittel auf
Grundlage von Butylcarbitolacetat, Terpineol, 2,2,4-Trimethylpentandiol-l,3-monoisobutyrat
und Dibutylphthalat mit einem thixotropen Mitte! hergestellt. In jedem Beispiel wurde als Glas das bevorzugte Glas nach
Tabelle II eingesetzt, zu dessen Herstellung die entsprechenden Oxide oder deren Vorläufer (z. B.
H3BO3 für B2O3, Li2CO3 für Li2O usw.) in solchen
Anteilen gemischt wurden, daß die gewünschten Oxidendanteile erreicht wurden. Der Glasvoriäufer-Ansatz
wurde auf eine Temperatur von etwa 1350° C
geschmolzen, bis er fließfähig war, ohne daß Gasentwicklung auftrat. Die Schmelze wurde in kaltes,
laufendes Wasser gegossen, um eine Fritte zu bilden, die dann zu einem feinen Pulver gemahlen wurde.
Bei jedem der anorganischen Materialien (Gold und Bindemittel) hatten im wesentlichen alle Teilchen einen
Durchmesser von über 0,1 Mikron und unter 5 Mikron. In jedem Beispiel wurden Bindemittel, Edelmetall und
Träger auf einem Walzenmahlwerk gemischt. Die anfallende, pastöse Masse wurde durch ein Sieb von
0,044 mm lichter Maschenweite (325-Maschen-Sieb der US-Siebreihe) auf eine dichte (vorgebrannte) Unterlage
aufgedruckt. Das Sieb wies neun 0,02 χ 0,02 cm Öffnungen in einer 3 χ 3-Anordnung auf. Zum Trocknen des
Drucks wurde die bedruckte Unterlage 10 bis 15 Minuten in einen auf 100 bis 150°C vorgeheizten Ofen
eingegeben. Der getrocknete Druck wurde dann in der in den Beispielen genannten Weise zur Bildung von
Leiterauflagen gebrannt. Eine nachfolgende Angabe von zwei oder mehr Brenn-Scheiteltemperaturen für ein
Beispiel bedeutet, daß mehr als eine Unterlage bedruckt und dann mindestens eine Unterlage auf eine der
genannten Scheiteltemperaturen und mindestens eine andere Unterlage auf die anderen) genannten)
Scheiteltemperatur(en) erhitzt wurde.
Das hier verwendete Gold wurde von sphäroidalen Teilchen mit Durchmessern von im allgemeinen im
Bereich von 0,5 bis 2 Mikron gebildet Es wurde eine Masse aus 96,10 Teilen Gold und 3,90 Teilen Bindemittel
(1,11 Teilen PbF2, 0,28 Teilen Cu2O, 1,11 Teilen Cd und
1,40 Teilen Glas) hergestellt. Die Masse wurde auf dichte 96%-Aluminiumoxid-Unterlagen aufgedruckt
Die Drucke wurden 15 Minuten bei 135° C auf eine
Dicke von etwa 20 Mikron getrocknet
Eine Reihe von Proben wurde in einen auf die gewünschte Scheiteltemperatur vorgeheizten Ofen
gegeben, in dem die Proben 10 Minuten bei dieser Temperatur gehalten wurden. Die gebrannten Drucke
waren etwa 15 Mikron dick.
Nach dem Brennen wurde die Haftung an der Unterlage bei jeder Probe wie folgt bestimmt: Zum
Ansetzen von Drahtleitungen an die Auflagen wurde über drei der Auflagen vorverzinnter Kupferdraht von
0,08 cm Durchmesser gelegt, mit organischem Chlorid flußmittelbehandelt und in einen Lotbehälter mit einem
12-ln/70-Sn/18-Pb-Lot von etwa 2500C getaucht Zur Bestimmung der Haftungsfestigkeit wurden die angelöteten
Leitungen mit einem Prüfgerät der Bauart Chatillion oder Instron unter 90° zugbelastet Die bei
925° C gebrannten Goldauflagen ergaben eine Haftung
.15 von 3,1 kg und die bei 850° C gebrannten von 2,6 kg. Vier
weitere Brennungen bei 850° C erhöhten die Haftung der letztgenannten Probe auf 3,0 kg.
Die bei 850 und bei 925° C gebrannten Proben wurden 1000 Stunden bei 1500C aufbewahrt, worauf sie sich
weiter als haftfest (Festigkeit über 3 kg) erwiesen.
Wie in Beispiel 1 wurden Goldmuster aufgedruckt und getrocknet, aber bei Scheiteltemperaturen von 850,
925, 985 bzw. 10100C gebrannt. Dann wurden die Eigenschaften der gebrannten Drucke bezüglich der
thermischen Preßbindung untersucht, wobei eine Drahtbindeeinrichtung der Bauart Kulicke and Soffa,
Modell 478TC, bei verhältnismäßig geringer Bindungstemperatur von 2500C (Bonding Stage) und einem
Druck von 60 bis 80 g bei der Kugel- und 120 bis 140 g
bei der Stichbindung verwendet wurde. An die gebrannten Goldauflagen wurde rasch Golddraht von
25 Mikron Durchmesser gebunden. Eine Vorreinigung der Goldauflagen war nicht notwendig.
Die thermisch preßgebundenen Golddrähte wurden zugbelastet, wobei sich ein Bruch iim Draht einstellte.
Die bei 850 und 925° C gebrannten Auflägest ergaben eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 10 g. Die bei
985 und 10100C gebrannten Auflagen ergaben die
gleiche Festigkeit.
Das Beispiel 1 wurde mit der Abänderung wiederholt, (15 daß die Unterlage von 99,5%igem Aluminiumoxid
gebildet wurde. Nach Brennen bei 925°C ergab die Bestimmung der Auflagefestigkeit ausgezeichnete Werte
(3,0 kg).
Die Arbeitsweise von Beispiel 1 wurde unter Verwendung einer Goldmasse wiederholt, die weniger
Bindemittel enthielt. Die anorganischen Feststoffe enthielten 98,06% Gold, 0,34% PbF2, 0,17% Cu2O,
0,57% CdO und 0.86% Glas. Nach Brennen bei 85013C
erwies sich die Haftung als geringer (1,0 kg) als bei größeren Bindemittelmengen.
Die Masse von Beispiel 1 wurde auf eine glasfreie Unterlage. Saphir und Berylliumoxid aufgedruckt. Auf
Saphir bei 925°C gebrannte Goldauflagen hatten Haftwerte von über 2,8 kg und bei 8500C auf Saphir
gebrannte solche von über 3,0 kg. Die Haftung auf Berylliumoxid betrug 3,2 kg nach Brennen bei 9250C
und 1,2 kg nach Brennen bei 850° C.
Vergleichsversuch
Eine nicht der vorliegenden Erfindung entsprechende Masse aus 96,94% Gold, 0,28% Cu2O und 2,78% Glas
zeigte bei Prüfungen der thermischen Preßbindung ein
ίο schlechtes Verhalten. Gegenüber bis zu 1 mm bei der
Masse von Beispiel 1 waren hier gebrannte Drucke von geringer Dicke (0,25 mm und darunter) notwendig. Als
Brenntemperaturen waren mindestens 925°C notwendig (gegenüber derart geringen Werten wie von 850°C
bei Beispiel 1).
709 686/462
Claims (2)
1. Leitermasse mit feinen Goldteilchen und feinen Teilchen anorganischen Bindemittels mit einem
Gehalt an Kupferoxid und Cadmiumoxid, die alle in einem inerten flüssigen Träger dispergiert sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Massen 95,0 bis 98,1 Gew.-% an Goldteilchen und die
ergänzende Menge im Bereich von 13 bis 5 Gew.-%
an Teilchen anorganischen Bindemittels enthalten, wobei das Bindemittel im wesentlichen aus
03 bis 1,5% kristallinem PbF2,
0,06 bis 032% kristallinem Cu2O,
0,2 bis 1,5% kristallinem CdO und
0,5 bis 1,95% Glas
besteht, bezogen auf das Gesamtgewicht von Gold und Bindemittel, und das Glas die Zusammensetzung
45 bis 52% PbO
3 bis 6% B2Oj
30 bis 35% SiO2
30 bis 35% SiO2
4 bis 6% TiO2
2 bis 4% ZrO2
2 bis 4% ZrO2
0 bis 1% ZnO
1 bis 4% Na2O
O bis 4% CdO und
O bis 2% Li2O
hat.
O bis 2% Li2O
hat.
2. Verwendung der Masse gemäß Anspruch I zur Herstellung an einer dielektrischen Unterlage
haftender Leitermuster.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/588,131 US3970590A (en) | 1975-06-23 | 1975-06-23 | Gold conductor compositions |
US58813175 | 1975-06-23 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2543922A1 DE2543922A1 (de) | 1976-12-30 |
DE2543922B2 DE2543922B2 (de) | 1977-06-30 |
DE2543922C3 true DE2543922C3 (de) | 1978-02-09 |
Family
ID=
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