DE3139750C2

DE3139750C2 - Verfahren zur Herstellung von Dickschicht-Schaltungen

Info

Publication number: DE3139750C2
Application number: DE3139750A
Authority: DE
Inventors: Charles C.Y. Elkhart Ind. Kuo
Original assignee: CTS Corp
Current assignee: CTS Corp
Priority date: 1980-10-06
Filing date: 1981-10-06
Publication date: 1985-07-04
Also published as: DE3139750A1; GB2085235A; US4316942A; GB2085235B; FR2491715B1; FR2491715A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Dickfilm-Leiterschaltungen, bei denen ein Kupferleitermuster verwendet wird, um die Notwendigkeit aufwendiger Edelmetallverbindungen zu vermeiden. Bei dem Verfahren wird eine Fritte-Kupferfarbe auf ein keramisches Substrat aufgebracht und bei einer Temperatur von 850 ° C bis 950 ° C gebrannt und dabei oxidiert. Gleichzeitig wird die Farbe zum Anhaften an dem nicht-reagierenden und nicht-leitenden Keramiksubstrat gebracht. Als nächstes wird eine Widerstandsfarbe in überlappender Beziehung auf das luftgebrannte Kupferleitermuster aufgebracht und bei 850 ° C bis 950 ° C gebrannt. Die gesamte Einheit wird dann in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 260 ° C bis 450 ° C gebrannt, um das oxidierte Kupfermaterial zu reduzieren. Das luftgebrannte Widerstandsmuster kann bei dem Brennen in der reduzierenden Atmosphäre entweder durch eine Beschichtung geschützt oder ungeschützt bleiben. Die wesentlichen Bestandteile der Kupferfarbe sind eine Fritte, die unter einer Wasserstoffatmosphäre nicht reduzierbar ist, ein Kupferpulver und ein geeignetes Siebdruckmittel. Bei diesem neuen dreischrittigen Brennvorgang sind die Kupferleiter mit vorhandenen Widerständen auf Ruthenium-Basis kompatibel.

Description

a) als Kupfer enthaltende Leiterpaste wird eine Pase verwendet, die eine blei- und wismutfreie Glasfritte enthält,

b) das Einbrennen der Widerstandspaste wird unmittelbar nach dem Einbrennen der Leiterpaste durchgeführt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer enthaltende Leiterpaste eine blei- und wismutfreie Glasfritte im Gewichtsbereich von ungefähr 2 bis 20%, Kupferpulver im Gewichtsbereich von ungefähr 20 bis 98% und ein Siebdruckmiitei im Bereich von ungefähr i5 bis 35 Gewichtsprozenten der gesamten abgeschiedenen Leiterpaste enthält.

3. Verfahren nach Anspurch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Schritt der Abscheidung einer Schutzbeschichtung auf den Widerstandsbahnen vor dem Brennen in der reduzierenden Atmosphäre.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennen des Leiters bei einer Spitzentemperatur über eine Periode von ungefähr 5 bis 15 Minuten zur Ausbildung eines Anhaftens durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierende Atmosphäre 2 bis 100% Wasserstoff enthält.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandspaste Ruth, niumoxid enthält

7. Verfahren nach einem cW der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandspaste ein |

Ruthenat enthält.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Dickschicht-Schaltunger, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

M) Dickfilm-Schaltungen (DE-AS 19 32 261) wurden bisher zum größten Teil unter Verwendung von Edelmetall-Leitern hergestellt, die mit den Widerstandsbahnen verbunden waren. Die Verwendung von Edelmetall-Leitern ist relativ aufwendig und es ist daher erwünscht, 'veniger aufwendiges und ohne weiteres zur Verfugung stehendes Kupfermaterial für die Leiter verwenden zu können. Bei der Verwendung von Kupferleitern war die Verwendung von Widerstandspasten auf Rutheniumbasis zur Herstellung der Widerstandsbahnen nur mit erheblichem Aufwand möglich.

Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Dickschicht-Schaltungen bekannt (DE-OS 26 17 226), bei dem die Leiter aus einer Leiterpaste hergestellt werden, die Kupferpulver, Borpulver und ggf. auch Glasfritte enthält, wobei das Borpulver dazu dient, eine Oxidation des Kupferpulvers zu verhindern. Auf diese Weise ist es möglich, für die Leiter eine I eiterpaste zu verwenden, die Nicht-Edelmetalle enthält, die sonst bei höheren Temperaturen, wie sie beim Brennvorgang auftreten, oxidieren und damit nichtleitend würden. Andererser ί stellt die Verwendung des Borpulvers einen erheblichen Aufwand dar. Es ist weiterhin ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt (DEOS 28 47 851), bei dem eine glasfrittefreie Leiurpaste in Sauerstoff oder in normaler Atmosphäre ausereichend weit aufgeheizt wird, um ein Anhaften des Leiters an dem Substrat zu erzielen. Aufgrund des Fehlens der Glasfritte müssen in diesem Fall sehr hohe Temperaturen im Bereich von 1120 bis 1220^: C verwen· det werden, um ein Anhaften zu erzielen. Der Kupferleiter wird als nächstes bei einer hohen Temperatur, jedoch diesmal in einer reduzierenden Atmosphäre, gebrannt, um das beim ersten Brennschritt bei den hohen Temperaturen entstehende Kupieroxid in Kupfermetall umzuwandeln. Das aus diesem erneuten Brennen hervorgehende Produkt wird d.inn ernt-ut in Sauerstoff gebrannt, um ein Metalloxid geringerer Dichte zu bilden. Auf diesen Leiter wird dann ein Widerstand auf Rutheniumbasis aufgebracht, der bei ungefähr 850⁰C gebrannt wird, wobei dieses Brenn· η in I ift enolgt. Danach ist es wiederum erforderlich, das Substrat mit den darauf befindlichen Leiter- und Widerstandsbahnen in einer reduzierenden Atmosphäre zu erhitzen, um das Kupferoxid zu reduzieren. Dieser Schritt wird bei ungefähr 250 bis 450⁰C durchgeführt. Dieses Verfahren erfordert damit einen erheblichen liiiLMgicnufwand und eine Vielzahl von Vcrfahrcnsschritlen, was aus wirtschaftlichen Gründen iiticrwüii.sclil isi.

ha Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem sich eine Energieersparnis sowie eine Verringerung der zur Herstellung der Dickschicht-SchaUung erforderlichen Zeit ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich eine Verringerung der zur Herstellung der Dirkschichtschaltung erforderlichen Verfahrensschritte und damit der Herstellungszeit sowie eine Energieersparnis, da aufgrund der Verwendung der Glasfritte die Leiter mit dem Substrat bei einer geringeren Temperatur verbunden werden können. Nach dem Verbinden der Leiter mit dem Substrat werden die Widerstandsschaltungen in Form von Rutheniumoxid oder aus äquivalentem Material aufgedruckt und gebrannt, worauf die Kombination erneut in einer reduzierenden Atmosphäre bei 260 bis 450⁰C erhitzt wird. Bei diesen Temperaturen werden die Widerstandseigenschaftendes Rutheniumoxids nicht wesentlich beeinflußt.

Weiterhin weist der zur Durchführung des Verfahrens verwendete Ofen, der bei niedrigeren Temperaturen und über kürzere Zeitintervalle verwendet wird, eine größere Nutzlebensdauer auf. so daß das System im Ergebnis einen größeren Energiewirkungsgrad sowohl im Hinblick auf die für das Verfahren erforderliche thermische Energie als auch im Hinblick auf die Ausnutzung der Vorteile zur Durchführung des Verfahrens über eine längere Periode aufweist.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Leiterpaste eine Glasfritte enthält, die in einer Wasserstoff-Atmosphäre nicht reduzierbar ist, so daß es möglich ist, das Brennen des Leiters und seine Verbindung bei dem Substrat bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur in der Größenordnung von 850 bis 95O⁰C durchzuführen, wobei das Brennen in einem Ofen für ungefähr 5 bis 15 Minuten erfolgt, um das Anhaften zu erzielen. Andererseits wird die Widerstandspaste in Luft bei einer Temperatur vcn 850 bis 950⁰C gebrannt und die fertige Dickschicht-Schaltung wird dann in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 260 bis 450° C erhitzt

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weisen die Leiter eine typische Dicke von ungefähr l_· bis 23 χ 10~³ Millimeter auf.

Obwohl sich die Fläche und die Dicke der auf das Substrat aufgebrachten Leiterpaste ändern können, wird die trockene Leiterpaste nach dem Brennen in der Luft mit dem Substrat durch die Glasfritte verbunden und nach diesem Brennen wird die Widerstandspaste, die Rutheniumoxid oder ein Ruthenat enthält, auf das Substrat aufgedruckt, um ein siebgedrucktes Widerstandsnetzwerk zu bilden. Die Widerstandspaste wird auf ausgewählten Teilen des Substrates abgeschieden und dann getrocknet. Die Dicke der Widerstandsschicht ist unterschiedlich, liegt jedoch allgemein in der Größenordnung von 1 bis 4,5 χ \Q~ⁱ Millimetern. Das Rutheniumoxidmaterial in der Widerstandspaste kann sich entsprechend der speziellen Beispiele, die im folgenden erläutert werden, ändern.

Im allgemeinen weisen die Leiterpaste und die Widerstandspaste ein Träger- oder Siebdruckmittel im Ge- : I wichtsbereich von ungefähr 15 bis 35% auf, wobei dieses Siebdruckmittel aus einem Alkylmethacrylat-Polymer

besteht, as in einem Lösungsmittel wie beispielsweise einem Kiefernöl, Zellusolv-Acetat, Butylphthalat oder Butylcarbitolacetat usw. gelöst ist.

Eine Beschichtung oder ein Oberzug kann über dem durch die Widerstandspaste gebildeten gebrannten Widerstandsbahnen vor dem Brennen in der reduzierenden Atmosphäre angeordnet werden, obwohl dies in den meisten, wenn nicht bei allen Anwendungen nicht erforderlich ist.

Ah Ergebnis des erfindungsgemäßen dreistufigen Brennvorganges können ausgezeichnete Dickschicht-Schaltungen hergestellt werden, die die gewünschten Eigenschaften von Kupferleitern und Rutheniumoxid-Widerstandsn.tzwerken aufweisen, wobei das gesamte System die Verwendung von aufwendigen Edelmetalleitermaterialien, wie beispielsweise Palladium, Silber, Gold usw., ver meidet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

F 1 g. 1 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens,

F i g. 2 eine isometrische Ansicht eines Substrats zusammen mit einer Ausführungsform der Dicks«_hichtschaltung.

F i g. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 nach F i g. 2, wobei die Leiter- und Widerstandsbahnen zur Erleichterung der Betrachtung vergrößert dargestellt sind,

Fig.4 eine isometrische Ansicht eines Substrats mit einer Ausführungsform des Dickschicht-Widerstandsnetzwerkes, wobei die Vi'iderstandsbahnen durch eine Beschichtung geschützt ist.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen und insbesondere anhand de.· Fig. 1 bis 3 eine bevorzugte Ausführu ■',gsform des Veifahrens zur Herstellung der Dickschichtschaltung beschrieben, die allgemein mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet ist und ein Substrat 18 aufweist, das tyoischerweise aus Aluminiumoxid besteht.

Die Oberfläche des Aluminiumoxids wird allgemein dadurch vorbereitet, daß diese Oberfläche gründlich gereinigt wird, um irgendwelche Verunreinigungen zu entfernen, die andernfalls die Verbindung der Leiter· und Widerstandsmaterialien mit dem Substrat stören könnten.

Als nächstes wird eine Leiterpaste zubereitet, die im wesentlichen aus einer Kupferfarbe 16 besteht, die aus drei Hauptbestandteilen hergestellt wird: blei- und wismutfreie Fritte 12 mit einem Gewichtsbereich von nicht weniger als 2% und nicht wesentlich mehr als 20 Gew.-°/o, Kupferpulver 10 in den Bereichen von nicht wesentlich mehr als 98% und nicht wesentlich weniger als 80%. sowie ein Siebdruckmittel 14 im Bereich von ungefähr 15% und nicht wesentlich mehr als 35%.

Diese Materialien werden gründlich miteinander vermischt, wobei ein wesentliches Merkmal darki besteht, daß nicht nur die Fritte 12 in Verbindung mit dem Kupferpulver 10 verwendet wird, sondern daß die Fritte praktisch blei- und wismutfrei ist. Bei bisherigen Mischungen wurden Anstrengungen gemacht, um ein Leitermaterial aus Kupfer dadurch herzustellen, daß die Fritte vollständig fortgelassen wurde, doch beruhte diese Lösung auf der fehlerhaften Erkenntnis, daß die Fritte ein unerwünschter Bestandteil sei. Im Gegensatz hierzu wurde festgestellt, daß Fritte Jim Kupferleiter eine wichtige Eigenschaft verleiht, und daß es das Vorhandensein von Blei und Wismut ist. was zu den störenden Eigenschaften der Fritte führte.

Die drei beschriebenen Hauptmaterialien werden gründlich miteinander gemischt, um eine Leiterpaste 16 mit

gleichförmiger Konsistenz zu schaffen, die dann auf das Substrat 18 über ein Sieb aufgebracht wird, wobei diese Leiterpaste in üblicher Weise beispielsweise mit Hilfe eines Rakels oder dergleichen aufgetragen wird. Die Leiterpaste wird durch ein Sieb mit einer Maschengröße von 0,075 bis 0,046 mm und mit einem 0- bis 25 χ 10-^J-mm-Emulsionsmuster aufgetragen, um das Leitermuster zu bilden.

Das allgemein mit der Bezugsziffer 19 bezeichnete Kupferleitermuster weist eine Stärke von ungefähr 0,75 bis 23 χ 10-' mm auf und wird dann bei einer Temperatur von ungefähr 100⁰C über eine Zeitdauer von 8 bis 15 Minuten getrocknet, worauf es in Luft gebrannt wird.

Das Brennen erfolgt unter atmosphärischen Bedingungen, so daß das Kupfer der Leiterpaste 16 auf dem ιυ keramischen Substrat 18 bei der Brenntemperatur von 850"C bis 950⁰C zu einem Oxid wird. Die Brennzeit beträgt ungefähr 5 bis 15 Minuten, und am Ende dieser Zeit ist der Film vollständig getrocknet, gebrannt und mit dem Substrat aus Aluminiumoxid verbunden.

Bei dem nächsten Schritt wird dann eine Widerstandspaste 20 auf das Substrat 18 aufgedruckt, wobei diese Widerstandspaste das luftgebrannte Kupferleitermuster 19 überlappt. Die Widerstandspaste enthält typischerweise ein Rutheniumoxid oder ein Ruthenat und sie wird auf die Oberfläche des Aluminiumoxids aufgedruckt, um ein Widerstandsnetzwerk zu bilden, das allgemein mit der Bezugsziffer 21 bezeichnet ist. Zum Zeitpunkt des Aufbringens beträgt die Stärke des Widerstandsnetzwerkes nach dem Trocknen ungefähr 0,75 bis 2.5 χ 10 ' mm.

Eine Art von Widerstandspaste, die verwendet wurde, ist eine Wismut-Rutheniumoxid-Mischung. Der Leiter- „

film ist im gebrannten Zustand ohne weiteres mit der Widerstandspaste auf Rutheniumbasis kombinierbar, \

obwohl es verständlich ist. daß auch andere Kombinationen von Widerstandspasten und Leiterpasten anwendbar sind, solange die Brennzeiten und die Temperaturen allgemein in dem hier angegebenen Bereich liegen.

Nachdem das allgemein mit der Bezugsziffer 21 bezeichnete Widerstandsnetzwerk abgeschieden wurde, wird die Widerstandspaste 20 bei ungefähr 100⁰C bis 15O°C getrocknet und dann in irgendeiner üblichen Weise bei 850" C bis 950^r C gebrannt.

Zu dieser Zeit wird das Kupferleiternetzwerk 19 oxidiert und ein wesentliches Merkmal besteht darin, daß der folgende Schritt das Kupferoxid zu Kupfer reduziert, so daß es als Leiternetzwerk arbeitet, wobei jedoch keine Störung oder wesentliche Beeinflussung des Widerstandswertes des Widerstandsnetzwerkes auftritt, das aus den Widerständen auf Rutheniumbasis hergestellt ist.

Der abschhebc ide Schritt besteht gemäß Fig. 1 darin, die nunmehr aus dem Substrat 18, dem luftgebrannten Kupferleitermuster 19 und dem Widerstandsnetzwerk 21 bestehende Einheit in einer reduzierenden Atmosphäre von Wasserstoff und bei einer Temperatur vor. 260⁰C bis 450⁰C zu brennen. Die Wirkung des Brennens in einer reduzierenden Atmosphäre bei dieser Temperatur und über diese Zeit besteht darin, daß das oxidierte Kupfer in dem Leitermuster reduziert wird. _;

Wenn dies erwünscht wird, können die Widerstände durch eine Beschichtung 40 (siehe Fig.4) geschützt |

werden, die eine Reduzierung der Widerstände auf Rutheniumbasis verhindert, doch ist diese Beschichtung nicht '"

immer erforderlich und sie kann verwendet werden, wenn dies gewünscht wird.

Das resultierende Produkt ist eine Dickschichtschaltung 30 mit ausgezeichneten Eigenschaften, die funktionell mit Leitersystemen vergleichbar ist, die Edelmetalle verwenden, wie beispielsweise Silber, Platin, Gold, Palladi- „

um. und zwar entweder als solche oder in Kombination mit anderen Materialien und in Kombination mit r?

Widerstandsmaterialien. wie beispielsweise Rutheniumoxid.

Das beschriebene Verfahren ergibt eine Dickschichtschaltung auf einem Substrat, ohne daß es erforderlich ist, Edelmetallbestandteile zu verwenden, und ohne daß ein typisches fünfschrittiges Verfahren erforderlich ist, wie es bisher bekannt war.

Entsprechend wird wesentlich weniger Energie zur Herstellung der Dicktschichtschaltung und zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens benötigt Eine wirkungsvollere Ausnutzung der Öfen und Heizkammern wird erzielt, weil niedrigere Temperaturen erforderlich sind, weil die erforderliche Zeit verringert wird und weil die Gesamtzahl von Schritten drastisch verringert ist.

Ausgewählte Arbeitsbeispiele

Die im Handel erhältlichen Kupferpasten, wie beispielsweise die von der Firma DuPont unter der Nummer 9922 und unter der Nummer 9923 vertriebene Kupferpaste, die für das Brennen in einer inerten Atmosphäre, wie beispielsweise Stickstoff, geeignet sind, können nicht in einer Wasserstoffatmosphäre gebrannt werden, weil hierbei das Anhaften zwischen dem Kupferfilm und dem Substrat verloren geht Im allgemeinen enthalten die im Handel erhältlichen Kupferpasten erhebliche Mengen an PbO und/oder B12O3, die für die Herstellung von Gläsern mit niedrigem Erweichungspunkt nützlich sind und die Lötbarkeit verbessern, die jedoch in Atmosphären mit niedrigem Sauerstoffgehalt unstabil sind. Um eine Fritte mit annehmbar niedrigem Erweichungspunkt ohne PbO und/oder BhOj herzustellen, können Borat- oder Borsilicat-Gläser verwendet werden, die die Alkalierden (Ba. Sr. Ca. Mg) enthalten und unter den erforderlichen Bedingungen stabil sind. Aluminiumoxid kann in diesen Glasarten enthalten sein, um die chemische Härte zu verbessern und eine Entglasung zu verhindern. Andere nichtreduzierbare Oxide unter Wasserstoffbedingungen können ebenfalls verwendet werden, und Beispiele hierfür sind Na^O. K2O, L12O, ZnO usw.

Das Siebd-uckmittel für die Herstellung der Kupferpaste ist vorzugsweise ein Alkylmethacrylat-Poiymer oder ein Copolymer. Das übliche Harz, das zur Herstellung von Dicknim-Farben verwendet wird, ist Athyiceiiuiose. Die Alkylmethacrylat- Polymere oder -Copolymere ergeben die besten Ergebnisse. Die Lösungsmittel für das Harz können typischerweise Kiefemöl. Zellusolv-Acetat, Butylphthalat oder Butyicarbitolacetat usw. sein.
Die folgenden Beispiele und Vergleiche sollen zur Erläuterung dienen. Die Glasfritten sind blei- und wismut-

frei und alle anorganischen Materialien, die in diesen Experimenten verwendet wurden, hatten eine Teilchengröße in dem Bereich von 0,5 bis 10 Mikron. Typisch für die Siebdruckmittel, die in den Beispielen verwendet werden, ist ein Methacrylat-Polymer, das in Kiefernöl gelöst ist. Der Anteil des Siebdruckmittels in der Paste beträgt ungefähr 15 bis 35%, und zwar in Abhängigkeit von der Viskosität, die für die Anwendung erforderlich ist. Die Mengenangaben der Materialien in den folgenden Beispielen erfolgen in Gew.-%.

Die Glasfritten, die für die Herstellung der Kupferpasten verwendet werden, sind in der Tabelle 1 aufgeführt.

Glasfritte-Zusammensetzungen(Gew.-%)

Glasbestandteil

Glas A

Glas B

Glas C

Glas D

Glas E

SiO₂ B₂O₃ Na₂CO₃ Li₂CO₃

ZnO AI₂O₃ TiO₂ MgCO₃ CaCO₃

25

20

4 5 8

15 30 15 15

5 5

5 10

20 20 20 20

5 10

Die Testergebnisse der Kupferpasten, die aus den Glafritten gemäß Tabelle I hergestellt sind, sind in den Tabellen II, III und IV gezeigt.

Tabelle II

Cu/Glas-Verhältnis

950°CinLuft
Farbe Ω/Ο

Nachbrennen bei 37O⁰C, An- 93% N₂/7% H₂

haften Farbe Ω/Ο

Anhaften

Paste 1 Paste 2 Paste 3 Paste 4 Paste 5 Paste 6 Paste 7 Paste 8 Paste 9

85Cu/15GlasA 85Cu/15GlasB 85Cu/15GlasC 85Cu/15GlasD 85Cu/15GlasE 80 Cu/20 Glas D 80Cu/20GlasE 90Cu/10GlasD 90Cu/10GIasE

Grau

Schwarz

Grau

Schwarz

Grau

Schwarz

Grau

Schwarz

Grau

Schwarz

Grau

Schwarz

Grau

Schwarz

Grau

Schwarz

Grau

Schwarz

Ξ> Ι Π!6^σ0ΏΙΠ

> 1 megohm

gut
gut
gut

sehr gut
sehr gut
sehr gut
sehr gut
sehr gut
sehr gut

Kupfer Kupfer Kupfer Kupfer Kupfer Kupfer Kupfer Kupfer Kupfer

0,016

0,013

0,02

0,04

0,016

gut gut

sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut

sehr gut sehr gut

Tabelle III

Cu/GIas-	850° C in Luft	An	Wachbrennen bei 310⁰C	H₂	Ω/α	An
Verhältnis	Farbe	haften	93% N₂/7%		haften
			Farbe	0,005	sehr
		sehr schlecht			schlecht
100 Cu/10 kein Glas	Grau		Kupfer	0,02	gut
		gut
85Cu/15GlasA	Grau		Kupfer	0,018	gut
	Schwarz	gut
85Cu/15GlasB	Grau		Kupfer	0,025	gut
	Schwarz	gut
85Cu/15GlasD	Grau		Kupfer
	Schwarz			0,006	schlecht
	950° C in Luft	schlecht		0,019	sehr gut
lOOCu/15 kein Glas	Grau	sehr gut	Kupfer
85Cu/15GlasA	Grau		Kupfer	0,015	sehr gut
	Schwarz	sehr gut
85Cu/15GlasB	Grau		Kupfer	0,021	sehr gut
	Schwarz	sehr gut
85Cu/15GlasD	Grau		Kupfer
	Schwarz

Paste 11 Paste 1 Paste 2 Paste 4

Die Paste 11 ist eine frittefreie Kupferpaste, die zu Vergleichszwecken verwendet wird, und, wie dies aus der Tabelle 111 zu erkennen ist, ist das Anhaften nach dem Brennen bei entweder 850⁰C oder 95O⁰C in Luft für 10 Minuten sehrschlecht.

Tabelle IV

Cu/Glas-Verhältnis

Paste 12 Paste 13 Paste 14

Paste 15

98 Cu/2 Glas D 96 Cu/4 Glas D 94Cii/6G]asD

92Cu/8GlasD

2	3	Ω/Π	An	Lötbarkeit
95O⁰C			haften
in Luft	Nachbrennen bei 37O⁰C	0,011	gut	gut
An	93% N₂/7% H₂	0,011	gut	gut
haften	Farbe	0,012	gut	brauchbar/
gut				gut
gut	Kupfer	0,012	gut	brauchbar/
gut	Kupfer			gut
	Kupfer
gut
	Kupfer

Die minimale Temperatur, die erforderlich ist, um das oxidierte Kupfer auf einen Kupferleiter zu reduzieren, beträgt 260⁰C, und die minimale Menge an Wasserstoff, die erforderlich ist, beträgt 2%.

Die spezielle Widerstandspaste wurde aus Wismut-Rutheniumoxid hergestellt. Nachdem die Widerstandspaste auf das Substrat aufgedruckt wurde, um die luftgebrannte Kupferpaste Nr. 12 nach Tabelle IV zu überlappen, wurde sie bei 125° C für 10 Minuten getrocknet und dann in Luft bei 850° C für eine Zeit von ungefähr 10 Minuten gebrannt, wie dies von der Herstellerfirma empfohlen wird, um einen Flächenwiderstand von lOOkOhm pro Quadrat zu erzielen, worauf die gesamte Einheit bei einem Nachbrennen in einer Atmosphäre mit 93% N? und 7% H₂ bei 370⁰C für 20 Minuten einen Flächenwiderstand von 100 kOhm pro Quadrat ergab.

Die im Handel erhältichen Widerstandspasten auf Ruthenium-Basis, bei denen reduzierende Mittel keine Auswirkung auf die Eigenschaften des Widerstandes haben, sind in einer Veröffentlichung beschrieben, die im Jahre 1972 auf der »Electronic Components Conference« von der Cermalloy Division der BaIa Electronics Corporation herausgegeben wurde und den Titel »Characteristics of a High Performance 50 ppm Resistor Systems« trägt Gemäß dieser Veröffentlichung ändert sich das Cermalloy-Ruthenium-Widerstandssystem um 0,1 bis 03%.nachdem es einem 85% N₂und 15% H₂ bildenden Gas über24 Stunden bei 375°C ausgesetzt wurde.

Das Engelhard-Ruthenium-Widerstandssystem, das als A3005, A3006 und A3107 bezeichnet wurde, wurde bei 93% N₂/7% H? bei 350⁰C für 15 Minuten nachgebrannt und die Widerstandsänderungen waren im Mittel kleiner als 0,2%. Bei 400°C und bei 15 Minuten betrugen die Widerstandsänderungen 05. 0,7 bzw. 1.5%. Diese Änderungen sind nicht größer als die. die für die gleiche Behandlung in Luft erwartet wurden, wie dies in der obengenannten Veröffentlichung beschrieben wjrde.

Arbeitsweise

In der Praxis wird das Aluminiumoxid-Substrat i8 zunächst gereinigt, die Fritte-Kupfer-Siebmittel-Paste 16 wird dann zu einer gleichförmigen Konsistenz gemischt, wobei die Fritte 12 praktisch blei- und wismutfrei ist, wie dies weiter oben beschrieben wurde, und die Paste wird dann im Siebdruckverfahren auf das Substrat aufgebracht und gebrannt, um ein Leiternetzwerk 19 zu bilden.

Als nächstes wird das Widerstandsnetzwerk 21 im Siebdruckverfahren auf das Substrat aufgebracht, wobei das Widerstandsnetzwerk typischerweise aus Rutheniumoxid oder Ruthenaten besteht, worauf das Widerstandsnetzwerk dann getrocknet und mit dem Substrat dadurch verbunden wird, daß es bei ungefähr 850° C bis 950⁰C gebrannt wird.

Danach wird die Kombination in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine relativ niedrige Temperatur von 260°C bis 450⁰C erhitzt, wobei zu dieser Zeit das oxidierte Kupfermaterial reduziert wird und die charakteristische schwarze Farbe zu einer glänzendroten Farbe wird, was elementares Kupfer anzeigt, das charakteristischerweise gute Leitereigenschaften aufweist. Das resultierende Produkt ist eine Dickfilm-Schaltung 30 mit ausgezeichneten Eigenschaften, und das Hauptziel der Beseitigung der Anwendung von Edelmetallen wurde erreicht.

Ein weiteres wesentliches Merkmal besteht darin, daß Silbermetalle beim Erhitzen zu einer Wanderung oder Verteilung neigen, und dieser Nachteil ergibt sich bei der Dickschichtschaltung, bei der Kupfer das funktionell leitende Material ist. nicht.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik schließt das Kupfermaterial Glasfritte ein, die praktisch blei- und wismui'vei ist, und das beschriebene Verfahren ergibt eine Fabrikationsart, die lediglich eine reduzierende Atmosphäre erfordert, die in einem Schritt das oxidierte Kupfer in einen geeigneten leitenden Zustand überführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Dickschichtschaltungen auf nichtleitenden Substraten, bei dem eine Kupfer enthaltende Leiterpaste auf einem Substrat zur Bildung eines Leiters abgeschieden und in Luft bei einer Temperatur von mindestens 850⁰C bis 950⁰C zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Leiter und dem Substrat unter gleichzeitiger Oxidation des Kupfergehaltes des Leiters gebrannt wird, bei dem eine Widerstandspaste zur Bildung von Widerstandsbahnen auf den in Luft gebrannten Leiter aufgebracht und zusammen mit dem Leiter bei einer Temperatur von ungefähr 850⁰C bis 950⁰C zur Herstellung einer Verbindung zwischen den Widerstandsbahnen und dem Substrat gebrannt wird und bei dem das Substrat, der Leiter und die Widerstandsbahnen abschließend in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt werden, um das oxidierte Kupfer in dem Leiter zu reduzieren, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: