DE2606963C3 - Verfahren zur Herstellung einer hartlötbaren Dickschichtschaltung auf ein vorzugsweise aus einer Oxidkeramik bestehendes Trägerplättchen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer hartlötbaren Dickschichtschaltung auf ein vorzugsweise aus einer Oxidkeramik bestehendes Trägerplättchen. indem man unter Verwendung einer pastenartigen Suspension, bestehend aus einer Silber und Kupferoxid enthaltenden Pulvermischupg und einem organischen Bindemittel, diese im Siebdruckverfahren auf das Trägerplättchen aufbringt, und die so aufgebrachte Schaltung in eine weiteren Verfahrensschritt durch Sintern bzw. Einb ^ nnen mit dem Material des Trägerplättchens verfestigt.

In der US-PS 34 50 545 ist eine Metallisierungsmasse aus Edelmetall für Keramiksubstrate beschrieben, welche aus 60 bis 95% aus einem Edelmetallpulver, nämlich Silber, Palladium, Platin oder Goldpulver, 4 bis 35% eines anorganischen Binders, nämlich Glasfritte und 0,1 bis 7% eines Oxidpulvers aus der Gruppe Rodium, Iridium, Rutherium, Kupfer, Silizium, Siliziumkarbide und Bornitride besteht. Zum Ansetzen der Masse verwendet man noch eine flüssige Komponente, wobei unter anderem vorgeschlagen wird, hierzu Äthylzellulose und T erpineol zu verwenden. Die Verwendung einer Glasfritte in der Metallisierungsmasse dient als Binder zwischen der Metallkomponente und dem KeramiksubstratGlasfritte enthaltende Metallisierungsmassen sind jedoch schlecht hartlötfähig.

Gemäß der DE-PS 19 63 286 ist weiterhin bekannt, auf Keramiksubstraien durch Siebdrucken leitende Strukturen zu erzeugen. Diese Strukturen sollen

ίο einerseits hinsichtlich der vorgegebenen geometrischen Struktur genau aber auch nach erfolgtem Sintern hartlötbar sein. Hierzu verwendet man eine siebdruckfähige Metallpulvermasse mit thixotroper Eigenschaft. Zur Herstellung der Siebdruckpaste dienen Schwermetalle wie z.B. Molybdän- und Mangansilikatpulver mit einer Korngröße kleiner als 5 μίτι. Derartig erzeugte Strukturen besitzen indessen eine vergleichsweise hohe Sintertemperatur, wobei der Sinterprozeß in einer gesteuerten Atmosphäre erfolgt Um das Fließverhalten des Hartlotes zu verbessern, müssen außerdem die Leiterbahnen vor dem Hartlöten galvanisch, z. B. mit einer Nickel-Auflage versehen werden. Darüberhinaus ist es erforderlich, die aufgebrachte Nickelschicht einer Diffusionsglühung zu unterziehen, um die Haftung der Nickelschicht zu verbessern.

Gemäß der DE-OS 20 21 362 sind auch Metallisierungsmassen bekannt, welche neben Alkalisalzen bis zu 95 Gew.% Silber enthalten; sie dienen z. B. zum Erzeugen von auf Glasscheiben aufzubringenden Leiterbahnen. Diese Massen werden ebenfalls durch Siebdrucken auf Glasunterlagen aufgebracht und sodann in einem nachfolgenden Arbeitsgang gebrannt. Eine solche Masse besitzt jedoch eine vergleichsweise geringe Bindungsfähigkeit; sie ist auch zum Hartlöten nicht geeignet.

Ferner sind sogenannte aktive Silberlote bekannt, z. B. bestehend aus 96 Gew.% Ag und 4 Gew.% CuO. Diese Lote haben die Eigenschaft, an der Berührungsstelle mit der Oxidkeramik Sub-Oxide zu bilden. Die Haftfestigkeit des Lotes auf dem Trägermaterial ist bedingt durch die Bildung dieser Sub-Oxide sehr hoch. Anwendung finden derartige Lote zum Verbinden von Metallteilen mit aus kermaischem Material gebildeten Bauteilen. Ein derartiges Lot würde sich grundsätzlich auch zum Befestigen von Anschlußelementen auf dem aus einem kermischen Material gebildeten Trägerplättchen eigenen. Es ist jedoch nicht möglich, die gedruckten, aus Edelmetall wie Ag, Pd, Au/Pd, Au gebildeten Dickschicht-Leiterbahnen mittels des genannten Lotes mit Anschlußelementen zu versehen. Lot- und Leiterbahnmaterial sind nicht kompatibel. Beim Hartlöten legiert das Leiterbahnmaterial sofort mit dem Lot; die Haftung wird aufgehoben. Umgekehrt ist es aber auch nicht möglich, mit dem genannten Lot auf der Keramik befestigte Anschlußelemente nachträglich mit Dickschicht-Leiterbahnen zu kontaktieren, denn die Anschlußelemente und das Lot würden den Sintervorgang der Leiterbahnen nicht überstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile zu vermeiden und eine Dickschichtschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher einerseits die Leiterbahnen eine hohe Haftfestigkeit mit dem aus einem hoch isolierten Material gebildeten Trägerplättchen aufweisen und

⁶S andererseits die Verbindungsstellen der Leiterbahnen mit den Anschlußelementen nach erfolgtem Hartlöten eine entsprechend hohe Festigkeit besitzen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

man zum Siebdrucken eine in bezug auf das Material des Trägerplänchens reaktive Pulvermischung verwendet, die ausschließlich aus mindestens 92 Gew.% Ag und höchstens 8 Gew.%, jedoch aus nicht weniger als 4 Gew.% CuO, insbesondere jedoch aus 94 Gew.% Ag und 6 Gew.% CuO besteht und diese mit dem organischen Binder angesetzte Suspension bei einer Temperatur von 930 bis 935° C sintert.

Durch diese erfinderische Verfahrensweise erhält man eine Dickschichtschaltung, deren Leiterbahnen sowohl eine hohe Haftfestigkeit mit dem Material des Trägerplättchens, als auch mit den Anschlußelementen aufweisen. Die elektrische Leitfähigkeit der so erzeugten Leiterbahnen ist überraschend gut; der quadratische Flächenwiderstand Äfbeträgt höchstens 10~³ Ohm. Die Leiterbahnen werden in bekannter Weise durch Siebdrucken auf das Trägerplättchen aufgebracht. Nach dem Trocknen der Schicht, z. B. an Luft oder in einem Trockenofen bei ca. 60° C erfolgt das Sintern in Luft bei ca. 930 bis 935°C. Das Hartlöten geschieht z. B. in einer Stickstoff- oder Argonatmosphäre. Zwischen die zu verbindenden Teile werden vorgestanzte dünne Lotbleche, z. B. bestehend aus einem Cu und Ag gebildeten Eutektikum gelegt, deren Lage zueinander mittels einer Vorrichtung gesichert wird. Die Teile werden dann mit einem Temperaturanstieg von 164° C pro Minute auf die Löttemperatur von 820° C aufgeheizt. Um Spannungen zu vermeiden, wird abschließend das Substrat langsam, z.B. mit 14°C, jedoch nicht schneller als 40°C pro Minute abgekühlt.

Für einen Ansatz der nach der Erfindung gebildeten Suspension wird zunächst das Silberpulver mit einer Korngröße zwischen 1 μΐη bis 10 μίτι mit dem Kupferoxidpulver — mit einer Korngröße von höchstens 2 μπι — trocken gemischt Den Silber- und Kupferoxid-Anteil hält man in den oberen Grenzen. Zu diesem Ansatz werden 35% eines zähflüssigen organischen Binders gemischt Diese Suspension wird sodann mittels eines Walzenstuhles homogenisiert. Als organische Binder eignen sich bekannte Lösungen, wie z. B. 10% Äthylcellulose in 90% Terpineol-Isomerengemisch oder Nitrozellulose in Butylcarbitolacetat Die auf diese Weise hergestellte Suspension bzw. Paste ist in ihrer Viskosität bereits so eingestellt, daß sie zum Siebdrukken auf Keramikkörper eignet

Vorteilhaft ist es, die Leiterbahnen mit einer Mindestdicke von 35 μπι auszubilden. Dadurch wird eine gute Durchmischung und somit eine innige Verbindung des Hartlotes an der Kontaktierungsstelle mit den Anschlußelementen einerseits und den Leiterbahnen andererseits bewerkstelligt Zum Erzeugen derartig dicker Leiterbahn-Struktur verwendet man ein Sieb von 110 mesh. An sich ist es auch möglich, die aus den vorgenannten Stoffen gebildeten Leiterbahnen mit aus einem anderen Material — z. B. mit aus Kupfer .gebildeten Anschlußelementen — durch Hartlöten zu kontaktieren, ggf. ohne Einfügung einer Lotfolie; das Kupfer-Silber Eutektikum bildet sich dann von selbst aus.

Vorzugsweise findet das erfinderische Verfahren Anwendung zum Erzeugen von Dickschichtschaltungen auf ein aus einer Oxidkeramik, z. B. Aluminiumoxid, Berylliumoxid, gebildetes Trägerplättchen. Das Verfahren ist aber auch mit den beschriebenen Vorteilen anwendbar, wenn das Trägerplättchen aus einem Kristall, nämlich aus Quarz oder Saphir, aber auch aus einem bei vergleichsweise hoher Temperatur schmelzenden Glas, z. B. Quarzglas, gebildet ist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer hartlötbaren Dickschichtschaltung auf ein vorzugsweise aus einer Oxidkeramik gebildetes Trägerplättchen, indem man unter Verwendung einer pastenartigen Suspension, bestehend aus einer Silber und Kupferoxid enthaltenden Pulvermischung und einem organischen Bindemittel, diese im Siebdruckverfahren auf das Trägerplättchen aufbringt, und die so aufgebrachte Schaltung in einem weiteren Verfahrensschritt durch Sintern bzw. Einbrennen mit dem Material des Trägerplättchens verfestigt, d a durch gekennzeichnet, daß man zum Siebdrucken eine in Bezug auf das Material des Trägerplättchens reaktive Pulvermischung verwendet, die ausschließlich aus mindestens 92 Gew.% Ag und höchstens 8 Gew.%, jedoch aus nicht weniger als 4 Gew.% CuO, insbesondere jedoch aus 94 Gew.% Ag und 6 Gew.% CuO besteht und diese mit dem organischen Binder angesetzte Suspension bei einer Temperatur von 930 bis 935° C sintert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung von 35 μπι dicken Leiterbahnen durch Siebdrucken ein Sieb von 110 mesh verwendet.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Hartlöten von Anschlußelementen mit den Leiterbahnen ein eutektisches Kupfer-Silberlot verwendet, dessen Schmelztemperatur unter der Sintertemperatur der Suspension gelegen ist.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Hartlöten der Anschlußelemente mit den ausschließlich aus Silber und Kupferoxid bestehenden Leiterbahnen ein dünnes aus Silber und Kupfer bestehendes Lotblech verwendet, wobei man zum Löten das aus Silber und Kupfer gebildete Blech zwischen Leiterbahn und Anschlußelement legt, diese Teile gegen eine Verlagerung sichert, und sodann auf die Löttemperatur von 820° aufheizt sowie nach erfolgtem Löten langsam, und zwar nicht schneller als 40⁰C pro Minute abkühlt.