DE3324933A1 - Keramische mehrschicht-leiterplatte - Google Patents

Keramische mehrschicht-leiterplatte

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Description

Die Erfindung betrifft eine keramische Mehrschicht-Leiterplatte oder eine keramische Mehrschicht-Platine mit keramischen Substraten mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante und mit Leitern mit einem niedrigen spezifischen Widerstand, und sie betrifft insbesondere ein keramisches Substrat zum Aufbringen von LSI-Schaltkreisen.
Um mit einer Verschiebung von elektronischen Schaltkreisen hin zu höherer Packungsdichte Schritt zu halten, kamen in großem Umfang Mehrschicht-Platinen zur Anwendung, wobei die Halbleiterbauelemente auf keramischen Substraten aufgebracht werden. Als solche keramischen Substrate fanden bislang aus Gesichtspunkten der thermischen Leitfähigkeit, ihrer mechanischen Festigkeit, der elektrischen Isolationseigenschaft usw.
15 Aluminiumoxid-Keramiken Verwendung.
Aluminiumoxid-Keramiken weisen relative Dielektrizitätskonstanten in der Größenordnung von ungefähr 9 auf und werden durch Sintern bei hohen Temperaturen von ungefähr 1500° bis 16500C hergestellt.
Es ist bekannt, daß die relative Dielektrizitätskonstante eines Keramiksubstrats die Signalübertragungsgeschwindigkeit eines elektronischen Schaltkreises beeinflußt. Dieser Zusammenhang wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:
t-j = ι/ετ" · 1/c
Hierbei bezeichnet t, die Übertragungsverzögerung der elektrischen Signale, er die relative Dielektrizitätskonstante eines Keramiksubstratas, 1 den Übertragungsabstand der elektrischen Signale und c die Lichtgeschwindigkeit. Eine große
relative Dielektrizitätskonstante bedeutet eine Verzögerung in der übertragung von Signalen entsprechend der Größe der relativen Dielektrizitätskonstante. Demgemäß ist die Tatsache, daß Aluminiumoxid-Keramiken große relative Dielektrizitätskonstanten aufweisen, ein Nachteil für Aluminiumoxid-Keramik-Substrate. Die Tatsache, daß Aluminiumoxid-Keramiken hohe Sintertemperaturen erfordern, schränkt die anwendbaren Leitermaterialien auf Materialien wie Wolfram, Molybdän und ähnliche, die hohe Schmelzpunkte aufweisen, ein, weil die Aluminiumoxid-Keramik-Substrate und die auf den Substraten ausgebildeten Leiterbahnkreise zusammen dem Sintervorgang ausgesetzt werden. Sowohl Wolfram als auch Molybdän als Leitermaterialien sind sinterbeständig, aber sie weisen hohe spezifische Widerstände in der Größen-Ordnung von 5,2 bis 5,5 μΩ-cm bei Raumtemperatur auf. Werden in gedruckten Schaltungen die Schaltkreise in hoher Packungsdichte ausgeführt, wird eine geringere Breite der Leitungen erforderlich, wodurch die Leitungswiderstände der Schaltkreise größer werden, was zu einem Anwachsen des Spannungsabfalls und zu einer Verzögerung der Signalübertragungsgeschwindigkeit führt. Daher ist die Verwendung dieser Materialien mit hohen spezifischen Widerstandswerten als Leitermaterialien nicht günstig.
Deshalb waren die bisher als Substrate für Mehrschicht-Platinen verwendeten Aluminiumoxid-Keramiken unvorteilhaft bei der Übertragung von Schaltkreissignalen mit hoher Geschwindigkeit.
Das Ziel der Erfindung ist, ein Keramiksubstrat bereitzustellen, in dem der oben beschriebene Nachteil der herkömmlichen Substrate verbessert wird und das eine kleine relative Dielektrizitätskonstante aufweist und auf einer relativ niedrigen Temperatur gesintert werden kann, und gleichzeitig eine Mehrschicht-Platine anzugeben, die das obige Keramiksubstrat und einen aus einem Material mit
niedrigem spezifischen Widerstand zusammengesetzten Leiter verwendet und vorteilhaft bei der Übertragung von Signalen mit hoher Geschwindigkeit ist.
Gemäß dieser Erfindung wird eine keramische Mehrschicht-Platine angegeben, in der eine Vielzahl von keramischen Schichten jeweils mit einem elektrisch leitenden Muster auf ihrer oberen Oberfläche gestapelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede der keramischen Schichten ein Sinterprodukt ist, das (a) ein einziges Siliziumoxid oder wenigstens zwei Arten von Siliziumoxid mit unterschiedlicher Kristallform und (b) ein Glas mit einem Erweichungspunkt unter dem Schmelzpunkt des Materials des elektrisch leitenden Musters beinhaltet.
Als keramische Materialien sind solche mit kleinen relativen Dielektrizitätskonstanten erforderlich. Es ist bekannt, daß zwischen der relativen Dielektrizitätskonstante er und der Verzögerung im elektrischen Signal t, folgende Gleichung gilt:
In obiger Gleichung bezeichnet t, eine Übertragungsverzögerung des elektrischen Signals, er die relative Dielektrizitätskonstante eines Materials,1 den Übertragungsabstand von Signalen und c die Lichtgeschwindigkeit. Demgemäß kann durch die Wahl von Materialien mit kleinen relativen Dielektrizitätskonstanten die Übertragungsgeschwindigkeit von Signalen erhöht werden.
Von den anorganischen Materialien weist Siliziumoxid die kleinste relative Dielektrizitätskonstante von 3,8 auf. Siliziumoxid selbst kann bei einer Temperatur unter 14000C nicht gesintert werden. Andererseits sind Silber mit einem
spezifischen Durchgangswiderstand von 1,6 μΩ-cm, Kupfer mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von 1,7 iiü' und Gold mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von 2,2 μΩ-crn Leitermaterialien mit jeweils hervorragender elektrischer Leitfähigkeit und sie schmelzen bei 9610C7 10830C bzw. 10630C. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung waren der Ansicht, daß, um eines dieser Leitermaterialien in gedruckten Schaltungen zu verwenden, Keramikmaterialien ausgewählt werden müssen, die bei Ternperaturen unter dem Schmelzpunkt des Leitermaterials gesintert werden können. Wenn Keramikmaterialien nicht bei so niedrigen Temperaturen gesintert werden können, schmelzen die Leiterbahnen eines Schaltkreismusters, die vorher mittels der Drucktechnik auf einem Substrat ausgebildet wurden während der Sinterzeit der Keramikmaterialien, wodurch ein Durchbrennen der Leitungen oder ein Kurzschluß verursacht werden kann. Daher wird eine Technik benötigt, in der die kleine relative Dielektrizitätskonstante von Siliziumoxid genutzt wird und in der gleichzeitig Sintern auf niedrigen Temperaturen möglich ist»
In dieser Erfindung wird ein Weg gewählt, nach dem ein Glas mit einem niedrigen Erweichungspunkt zum Siliziumoxid hinzugefügt und der Sintervorgang vom Glas bewirkt wird. Gemäß dieser Erfindung kann beliebiges Glas verwendet werden, wenn es chemisch stabil ist und einen Erweichungspunkt unter dem Schmelzpunkt eines Materials für ein elektrisch leitendes Muster aufweist. Besonders günstig sind Gläser mit Erweichungspunkten von 10500C oder darunter, und unter diese Gläser fällt z.B. Borsilicatglas, Bariumborsilicatglas, Magnesiumborsilicatglas, Aluminiumphosphatglas und ähnliche. Es sind auch Gläser mit niedrigem Erweichungspunkt verwendbar, die Blei-(II)-oxid(Bleiglätte) enthalten. Darüberhinaus können zwei oder mehr Arten von Gläsern mit niedrigem
Erweichungspunkt in Verbindung verwendet werden. Natürlich wird bei der Auswahl des Glases die Höhe der relativen Dielektrizitätskonstante des Glases berücksichtigt.
Das elektrisch leitende Material für die elektrisch leitenden Muster ist vorzugsweise eines der Metalle Gold, Silber und Kupfer oder deren Legierungen.
Rohstoffe für Siliziumoxide sind z.B. Quarz, Quarzglas, Tridymit und Cristobalit. Werden wenigstens zwei Arten von sich in der Kristallform unterscheidenden Silizium-Ιο oxiden zusammen verwendet, finden als Materialien, die bei Raumtemperatur stabil sind, Quarzglas, α-Quarz, α-Cristobalit, α-Tridymit und ähnliche und als Materialien, die bei hohen Temperaturen stabil sind, ß-Quarz, ß-cristobalit, ß-Tridymit und ähnliche Anwendung. Bei gemeinsamer Verwendung von wenigstens zwei Arten von sich in der Kristallform unterscheidenden Siliziumoxiden kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des sich ergebenden keramischen Materials gesteuert werden. Ist die Zusammensetzung des keramischen Materials festgelegt, kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des keramischen Materials im allgemeinen annähernd abgeschätzt werden. Bei gemeinsamer Verwendung von wenigstens zwei Arten von sich in der Kristallform unterscheidenden Siliziumoxiden kann der thermische Ausdehnungskoeffizient der sich ergebenden Keramik wahlweise im Bereich von 1x10 /0C bis 20 χ 10 /0C z.B. im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 4000C festgelegt werden. Der Grund dafür, daß man in der Lage ist, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu steuern, liegt darin, daß jede Kristallform des Siliziumoxids einen verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Quarzglas hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 0,5 χ 10 /0C und Quarz hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 12 bis 15x10 /0C. Cristobalit hat im Temperaturbereich von
Raumtemperatur bis 200°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10x10 /0C und bei Hinzutreten einer anomalen thermischen Ausdehnung, die bei ungefähr 2000C in Verbindung mit einem Phasenübergang von a-Cristobalit zu ß-Cristobalit auftritt, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 23 χ 10 /0C im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 400°C. Tridymit weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 23 χ 10 /0C im selben Temperaturbereich auf, wenn eine thermische Ausdehnung hinzukommt, die in Verbindung mit einem Phasenübergang von einer a-Kristallform zu einer 3-Kristallform auftritt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Siliziumoxidarten sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Tabelle 1
Siliziumoxid
art		 Thermischer Ausdehnungskoeffizient
(x10"6/°C)		 25°C bis 4000C
Quarzglas
Quarz
Cristobalit
Tridymit		 25°C bis 2000C 0,6
12 bis 15
23
23
0,5
12 bis 15
10
10
Daher kann durch Vermischen von wenigstens zwei Arten von sich in ihrer Kristallform unterscheidenden Siliziumoxiden der thermische Ausdehnungskoeffizient des sich ergebenden keramischen Materials wahlweise gesteuert werden.
Um eine Mehrschicht-Platine herzustellen, wird weiterhin
ein elektrisch leitendes Material für die Leiterbahnen auf jedem isolierenden Keramiksubstrat und ein elektrisch leitendes Material für die Durchgangslöcher zur Verbindung jeder Leiterbahn benötigt. Silber, Kupfer und Gold, die als Leitermaterialien Verwendung finden, weisen thermische Ausdehnungskoeffizienten von 1,91 χ 10 /0C, 17,0 χ 10"6/°C bzw. 14,2 χ 10"6/°C auf. Falls das keramische Substrat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der sich zu stark von denen der obigen Leitermaterialien unterscheidet, treten während des Abkühlschrittes nach dem Sintern Risse der Keramik und/oder ein Abreißen der Leiterbahnen auf, was für die Mehrschicht-Platine nachteilig wird. Um diese Nachteile zu überwinden, ist es notwendig, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials wahlweise einstellen zu können. Gemäß dieser Erfindung kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des keramischen Materials stark an die der elektrischen Leitermaterialien angenähert werden.
Was die Teilchengrößen der keramischen Ausgangsmaterialien anlangt, so führt ein kleinerer Teilchendurchmesser zu einem keramischen Substrat mit einer höheren Dichte und mit einer geringeren Oberflächenunebenheit. Idealerweise werden keramische Ausgangsmaterialien mit Teilchendurchmessern von 10μπι oder kleiner und mit Teilchengrößen von 325 Mesh oder kleiner verwendet.
Das Mischungsverhältnis zwischen Siliziumoxid und Glas ist nicht kritisch, mit der Ausnahme, daß ein zu geringer Glasanteil Siliziumoxid nicht verbinden kann. Daher wird ein Siliziumoxidanteil von 5 bis 95 Gew.-% und idealerweise von 20 bis 80 Gew.-% angestrebt.
Als nächstes wird ein Beispiel für einen Herstellungsprozeß einer keramischen Mehrschicht-Platine beschrieben, die das Endziel der Erfindung ist.
Zuerst werden ein Siliziumoxidpulver und ein Glaspulver in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis abgewogen. Daraufhin werden ein Bindemittel, ein Weichmacher und ein Lösungsmittel beigegeben, um eine breiige Masse auszubilden. Als Bindemittel finden Polyvinylbutyralharz, Polymethacrylatharz oder ähnliches Verwendung. Als Weichmacher wird Dioctylphthalat verwendet. Als Lösungsmittel finden Methanol, Trichloräthylen, Toluol oder ähnliches Verwendung. Die breiige Masse wird nach der Ziehklingen-Methode fDoctor-Blade Method) auf einen Harzfilm, z.B. einen Polyester-
Harzfilm, in einer Plattenform mit entsprechender Dicke (z.B. 0,1 bis 1,0 mm) aufgestrichen. Durch den Entzug des Lösungsmittels über einen Trockenprozeß erhält man eine grüne (ungesinterte oder ungebundene) keramische Platte mit gewünschter Dicke. An vorgegebenen Positionen der grünen keramischen Platte werden Löcher mit gegebenem Durchmesser durch Stanzen, Bohren oder ähnlichem hergestellt. Weiterhin wird auf die Oberfläche der Platte eine Leiterpaste aus Silber, Gold oder deren Legierungen nach vorgegebenen Mustern aufgedruckt. Die Paste wird entsprechend der Druckmethode auch in die Löcher gefüllt, um Durchgangslöcher auszubilden, die später die gestapelten grünen Platten durchdringen und die Leiterbahnmuster verbinden. Die grüne Platte, in der Leiterbahnmuster und Durchgangs löcher ausgebildet wurden,, wird nach der Multilayer-Technik gestapelt und dann gesintert. Beim Sintern grüner Platten, auf die ein Kupferleiter aufgedruckt wurde, findet eine Formiergas-Atmosphäre, die eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff ist, Verwendung. Diesem Gas wird Wasser als Oxidationsquelle für das Bindemittel, den Weichmacher und ähnliches beigegeben. Beim Sintern grüner Platten, auf die ein Silber- oder Goldleiter aufgedruckt wurde, kann Stickstoffgas oder eine Luftatmosphäre Verwendung finden. Diese Atmosphäre wird verwendet, weil sowohl Silber als auch Gold nicht oxidiert werden. Die
Sintertemperatur schwankt abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Glases, der Teilchengrößen der Ausgangsmaterialien und der Art des Leitermaterials; es wird jedoch angestrebt, daß sie bei wenigstens 9000C und nicht über 10500C liegt. Wenn die Sintertemperatur über 10500C hinausgeht, schmilzt Kupfer, und es treten Leitungsdurchbrand und Kurzschluß auf. Der Sintervorgang wird in wenigen Minuten bis zu etwa einer Stunde abgeschlossen, obwohl sich die Zeitdauer des Sintervorgangs mit der Sintertemperatur verändert. Idealerweise beträgt die Sintertemperatur 800° bis 9000C für Silber und 800° bis 10000C für Gold. Findet ein tunnelförmiger Ofen für das Sintern Verwendung, treten unabhängig von der Art des Leiters Fälle auf, in denen die Sinterzeit von der Beschickung bis zur Entladung
15 des Ofens 24 Stunden beträgt.
Mit obigem Prozeß wird eine keramische Mehrschicht-Platine hergestellt, die elektrisch leitende Durchgangslöcher und Leiterbahnen zwischen den Schichten aufweist.
Die anliegende Zeichnung ist eine perspektivische, teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht einer keramischen Mehrschicht-Platine nach einer Ausführungsform dieser Erfindung.
Im folgenden werden Beispiele dieser Erfindung dargestellt. In jedem Beispiel bezeichnet das Wort "Anteile" die Gewichtsanteile und das Zeichen "%" Gewichts-Prozent.
Die Zusammensetzung und die charakteristischen Merkmale aller als Ausgangsmaterial verwendeten Gläser mit niedrigem Erweichungspunkt sind in Tabelle 2 gezeigt. In Tabelle 3 sind (a) das Mischungsverhältnis der Ausgangsmaterialien jedes keramischen Materials, nämlich eines Glases mit niedrigem Erweichungspunkt und zweier oder dreier Arten von Silizium-
oxid, die sich in ihrer Kristallform unterscheiden, (b) die Sintertemperatur jeder Mischung und (c) die charakteristischen Merkmale jedes Sinterprodukts gezeigt. Wie aus Tabelle 3 deutlich wird, liegen die relativen Dielektrizitätskonstanten der erhaltenen Sinterprodukte alle zwischen 4,0 und 5,0 und unterscheiden sich nicht viel voneinander, wohingegen ihre thermischen Ausdehnungsko-
-6 effizienten in einem großen Bereich zwischen 3,2 χ 1o /0C und 10,3 χ 10 /0C liegen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient eines gesinterten Keramikmaterials kann durch die Veränderung des Mischungsverhältnisses von Glas und Siliziumoxid sowie der Arten der sich in ihrer Kristallform unterscheidenden Siliziumoxide eingestellt werden»
Tabelle 2
No. SiO2 50 AiL2O 3 Zusammensetzung 15 BaO 25 (Gewichts-%) 5 % 15 AJlPO4 MgF2 0 K2O
1 40 ί/ 30 20 <\, 25 MgO 10 - 30 B2°3 30 ^ 50 - - 1 -
2 20 % 30 15 ^ 20 10 'ν 10 - 15 40 ^ 60 - - -
3 20 ^ 30 15 ^ 20 5 ^ - 15 30 * 50 - - 1 -
4 15 ^ 30 10 ^ 20 5 ^ 20 % 20 ^ 30 - - -
5 20 ^ 50 15 α, 23 - 25 ^ 25 % 40 - - -
6 35 λ, 60 5 -Λ* 15 - 7.5^ 20 ^ 30 - - 1 ^ 0.1
7 40 'ν 40 5 ^ 15 - 5 ^ 20 ^ 40 - - ^ 4.5
8 20 <\, 80 - - - 20 ^ 30 20 ^ 40 5 ^ 15 -
9 60 ^ 50 0 ^ 2 - - 20 ^ 40 - - % 3
10 30 ^ 40 - - 10 - 30 ^ 50 20 ^ 40 - -
11 30 ^ 45 15 ^ 20 - 7.5 - 30 ^ 50 - - -
12 35 λ/ 5 ^ 15 5 'ν» - - - . 5^ 5
2.5^
- Forts. -
GO OJ hO
CD CaJ CaJ
Tabelle 2 (Fortsetzung)
Bi2°3 Charakteristische Merkmale 1Xj 1000 Relative Dielektrizitäts
konstante (bei 1 MHz)		 O/ 6.0
5 ^ 15 Erweichungs
punkt (0C)		 800 5.0 'Xj 5.5
5 ^ 15 900 1Xi 800 · 4.5 * 5.0
- 700 740 4.0 5.5
- 700 1Xj 800 4.8 5.7
- 650 800 5.0 4.5
- 750 1Xj 750 4.1 5.3
- 700 750 4.5 1X, 5.0
- 650 1Xj 800 4.0 5.0
- 650 820 4.0 5.0
700 800 4.0 5.0
- 730 750 4.0 5.0
- 700 4.6
650
N2O
-
-
-
-
-
0 ^ 0.1
1 ^ 4.5
-
1 -ν 3
-
-
-
CO CO CO
Tabelle 3
Mischungsverhältnis % (Gewichts-%) % Name % 5 Sinter Charakteristische Merkmale
der gesinterten Keramik		 Thermischer
Ausdehnungs
Glas mit niedri 60 35 Quarz 10 temperatur Relative Di
elektrizi		 koeffizient
(X 10~6/°C)
No. gem Erweichungs
punkt		 Il Siliziumoxid 30 Il 20 tätskonstante 3.2
Glas
Nr.		 Il Name 20 Il 30 (0C) 4.0 4.0
14 4 Il Quarz
glas		 10 Ii 35 800 4.2 5.5
15 M Il Il 5 Il 30 I! 4.5 7.0
16 Il 40 Il 30 Il 50 Il 4.5 7.8
17 Il Il Il 10 Il 20 It 5.0 6.3
18 Il 50 Il 30 Il 40 Il 4.2 9.2
19 Il Il Il 10 Il 15 900 4.8 5.2
20 Il 70 Il 15 Il 10 Il 4.5 8.0
21 7 80 Il 10 Il 850 4.6 5.1
22 Il Il M 5.0 4.8
23 Il Il 800 Il
24 Il Il Il
GO CO K) -F-CO OO CO
- Forts. -
Tabelle 3 (Fortsetzung)
26 27 28 29 30 31 32 33 34
12
12
90 Quarz
glas		 5 Quarz 5
40 Il 50 Il 10
Il Il 40 Il 20
Il Il 30 Il 30
40 Il 20 Il 40
Il Il 10 Il 50
60 Il 20 Il 20
80 Il 5 Il 15
90 Il It Il 5
60 Il 20 Cristo-
balit		 20
Il Il 10 Il 30
Il Il 10 Il ■ I
11 Il 20 Il Il
Il Il 10 Tridymit 30
Il Il 20 St 20
800
850
850
800
4.5
3.5 4.5 6.4 8.5 9.0 6.0 6.2 6.1 5.3
6.3 6.1 5.0 6.0 5.2
ο a » t a -J ·
GJ CaJ
NJ 4>-
CO CO GJ
- Forts. -
Tabelie 3 (Fortsetzung)
12
60
Quarz 20
Il 20
:risto-
Dalit		 Il
Quarz
glas		 10
Il 20
Il Il
Quarz It
Il Il
Cristo-
balit		 Il
Quarz
glas		 10
Cristobalit .
Tridymit
Cristobalit
Tridymit
Cristobaiit -
Tridymit
Quarz
Cristobalit
20
30 20
10
800
850
800
4.9
4.8
4.5
8.0
8.2 7.0
6.0
5.2 5.1 8.2
8.3 7.5
6.0
00 I
CO CO CO
- Forts. -
Tabelle 3 (Fortsetzung)
50 7 60 Quarz
glas		 5 Quarz 20 800 4.6 7.5
Cristo-
balit		 15
51 Il 50 Il Il Quarz 45 Il 4.5 9.5
52 Il 40 Il Il Il 55 850 4.6 10.3
53 Il 30 Il ti Cristo-
balit ·		 65 900 4.6 8.2
54 12 50 Quarz 45 Il 5 850 4.5 9.7
55 Il Il Cristo-
balit		 25 Tridymit 25 Il 4.6 7.5
NJ -P--CO GO CO
Gemäß des in Tabelle 3 gezeigten Mischungsverhältnisses wurden insgesamt 100 Anteile von keramischen Ausgangsmaterialien abgewogen und für 24 Stunden in einer Kugelmüh-Ie gemischt. Dazu wurden 6,0 Anteile von Polyvxnylbutyralharz 2,4 Anteile von Dioctylphthalat, 23,0 Anteile von Trichloräthylen, 9,0 Anteile von Perchloräthylen und 6,0 Anteile von Butylalkohol hinzugegeben und alle Materialien für zehn Stunden in der Kugelmühle gemischt, wodurch die Mischung zu einer breiigen Masse wurde. Die breiige Masse wurde nach dem Ziehklingen-Verfahren auf einen. Polyesterfilm in einer Plattenform von 0,25 mm Dicke aufgestrichen. Zum Verdampfen der Lösungsmittel wurde die Platte auf eine Höchsttemperatur von 1200C erhitzt, um eine grüne Platte zu gewinnen. Die grüne Platte wurde auf vorgegebene Abmessungen geschnitten. An vorgegebenen Positionen jeder Platte wurden durch Stanzen Durchgangslöcher hergestellt und über die Druckmethode eine Leiterpaste aus Silber in diese Löcher gefüllt, um einen Leiter zur Verbindung der Leiterbahnen in jeder keramischen Schicht auszubilden. Auf die obere Oberfläche jeder Platte wurde nach einem vorgegebenen Muster eine elektrische Leiterbahn aufgedruckt. Sechs grüne Platten, auf jede von denen der Silberleiter aufgedruckt worden war, wurden unter Verwendung von Führungslöchern aufeinandergestapelt und auf 1200C bei einem Druck von 10 bar zwangsweise miteinander verklebt.
Eine Vielzahl der sich ergebenden grünen Mehrschichtplatten wurde in einen Ofen geladen und in einer Luftatmosphäre gesintert. Der Sintervorgang wurde für ungefähr 30 Minuten auf einer in Tabelle 3 gezeigten Sintertemperatur durchgeführt.
- 21 -
Gemäß dem obigen Prozeß wurden keramische Mehrschicht-Platinen mit einem Querschnitt, wie er in der Zeichnung gezeigt ist, hergestellt. Jede grüne Platte verlor während des Sinterschrittes die Harzkomponenten und wurde zu einer keramischen Schicht 1. Jede keramische Schicht 1 wurde gesintert, um eine gegenseitige Verbindung herzustellen. Auf der oberen Oberfläche jeder keramischen Schicht 1 wird nach einem gewünschten Leiterbahnmuster eine Leiterschicht 3 ausgebildet. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet Durchgangslöcher, die die keramischen Schichten 1 durchdringen. Diese Durchgangslöcher 2 sind mit der Leiterschicht an vorgegebenen Positionen auf der oberen Oberfläche jeder keramischen Schicht 1 verbunden.
Nach dem obigen Prozeß erhielt man keramische Mehrschicht-Platinen mit sechs Leiterschichten. In diesen Schaltungsplatten fand ein Silberleiter Anwendung, und es ergaben sich Leitungsbreiten von 80 μπι und ein Leitungswiderstand von 0,4 Ω/cm.
Gemäß dem in Tabelle 3 gezeigten Mischungsverhältnis wurden insgesamt 100 Anteile von keramischen Ausgangsmaterialien abgewogen und für 24 Stunden in einer Kugelmühle gemischt. Dazu wurden 5,9 Anteile eines Methacrylatharzes, 2,4 Anteile Dioctylphthalat, 23,0 Anteile Trichloräthylen, 9,0 Anteile Perchloräthylen und 6,0 Anteile Butylalkohol hinzugegeben und alle Materialien für 10 Stunden in der Kugelmühle gemischt, wodurch die Mischung zu einer breiigen Masse wurde. Die breiige Masse wurde auf einem Polyesterfilm nach dem Ziehklingen-Verfahren in einer Plattenform von 0,25 mm Dicke aufgestrichen. Zur Verdampfung der Lösungsmittel wurde die Platte auf die Höchsi
temperatur von 1200C erhitzt, um eine grüne Platte zu erhalten. Die grüne Platte wurde auf die vorgegebenen Abmessungen geschnitten. An vorgegebenen Positionen jeder grünen Platte wurden durch Stanzen Durchgangslöcher und Führungslöcher hergestellt. In die Durchgangslöcher wurde zur späteren Verbindung jeder keramischen Schicht eine Kupferleiterpaste gefüllt und auf der oberen Oberfläche jeder grünen Platte ein Leiterbahnmuster ausgebildet. Sechs grüne Platten/ auf jeder von denen die Kupferleiterpaste gebildet worden war, wurden unter Verwendung von Führungslöchern aufexnandergestapelt und bei 1200C mit einem Druck von 15 bar zwangsweise miteinander verklebt.
Eine Vielzahl der sich ergebenden grünen Mehrschichtplatten wurde in einen Ofen geladen und gesintert. Die Atmosphäre während des Sintervorgangs war ein Stickstoffgas mit 3 bis 7 % Wasserstoff. In das Gas wurde ein geringfügiger Anteil von Wasserdampf eingeführt, um die thermische Zersetzung des organischen Bindemittels ^u unter— stützen. Der Sintervorgang wurde auf einer in Tabelle 3 gezeigten Sintertemperatur durchgeführt, wodurch Keramiken erzielt wurden.
Nach dem obigen Prozeß wurden Mehrschicht-Platinen mit sechs Leiterschichten hergestellt. In diesen Platinen fanden Kupferleitungen Verwendung, und es ergaben sich Leitungsbreiten von 80 μπι und ein Leitungswiderstand von 0,4 Ω/cm.
Beispiel_3
Grüne Platten wirden auf eine ähnliche Art wie in Beispiel 1 hergestellt. Als Leiter fand eine Goldpaste Verwendung.
Diese grünen Platten wurden ähnlich wie in Beispiel 1 in einer Luftatmosphäre gesintert.
Bei den sich ergebenden Mehrschicht-Platinen mit sechs Leiterschichten ergab sich eine Leitungsbreite von 80 μπι und ein Leitungswiderstand von 0,45 Ω/cm.
In den Beispielen 1 bis 3 sind die relativen Dielektrizitätskonstanten der gesinterten Keramiken klein; es können Leiter mit einem geringen Leitungswiderstand Anwendung finden, weil die Sintertemperaturen der keramischen Ausgangsmaterialien niedriger sind als der Schmelzpunkt von Silber, Kupfer, Gold oder deren Legierungen, und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der gesinterten Keramiken können in einem Bereich von annähernd 3x10 /0C bis 10 χ 10 /0C eingestellt werden, wodurch keramische Mehrschicht-Platinen erzielt werden können, die hohe Signalübertragungsgeschwindigkeiten ergeben und frei von Rissen, Leiterbrüchen und Kurzschlüssen sind.
Es wurden 20 bis 30 % SiO2, 15 bis 20 % Al2O-, 5 bis 10 % MgO, 30 bis 50 % B3O3 und 5 bis 15 % Bio°3 gemischt. Diese Mischung wurde in einen Platin-Schmelztiegel gebracht und bei 14000C geschmolzen. Die Schmelze wurde schnell bis auf Raumtemperatur abgekühlt, um ein einheitliches Glas auszubilden. Das Glas hatte einen niedrigen Erweichungspunkt von 850° bis 95O0C. Dieses Glas wurde auf 325 Mesh oder kleiner zermahlen, um als ein keramisches Ausgangsmaterial Verwendung zu finden.
Quarzglas wurde auf 325 Mesh oder kleiner zermahlen. 5 bis 95 Anteile dieses Quarzglases und 95 bis 5 Anteile
des obigen Glases wurden in vier Zusammensetzungen abgewogen. Jede Zusammensetzung wurde in eine Kugelmühle gegeben und für 24 Stunden gemischt. Dazu wurden 5,9 Anteile Methacrylatharz, 2,4 Anteile Dioctyl-phthalat, 23,0 Anteile Trichloräthylen, 9,0 Anteile Perchloräthylen und 6,0 Anteile Butylalkohol hinzugegeben und die Materialien für drei Stunden in der Kugelmühle gemischt, wodurch die Mischung zu einer breiigen Masse wurde. Die breiige Masse wurde unter Verwendung des Ziehklingen-Verfahrens auf eine Mylar-Folie aufgestrichen, um eine Platte von 0,2 mm Dicke auszubilden. Die Platte wurde zur Verdampfung der Lösungsmittel auf die Höchsttemperatur von 1000C erhitzt, um eine grüne Platte auszubilden. Die grüne Platte wurde auf vorgegebene Abmessungen (70 χ 70 mm) zugeschnitten. An vorgegebenen Positionen jeder grünen Platte wurden durch Stanzen Durchgangs löcher herge-;-;= stellt und in die Löcher zur späteren Verbindung jeder keramischen Schicht eine Leiterpaste aus Kupfer gefüllt. Dieselbe Leiterpaste wurde über die Siebdruckmethode auf der oberen Oberfläche jeder grünen Platte angewandt, um ein Muster zu bilden. Sechs grüne' Platten, auf jeder,von denen, ein Kupferleiterbahnmuster ausgebildet worden war, wurden unter Verwendung von Führungslöchern aufeinandergestapelt und dann bei 1200C mit einem Druck von 7 bar zwangsweise miteinander verklebt.
Eine Vielzahl der sich ergebenden Vielschicht-Platten wurde in einen Ofen geladen und gesintert. Als Sinteratmosphäre fand Stickstoff mit 3 bis 7 % Wasserstoff Anwendung. In das Gas wurde ein geringer Anteil von Wasserdampf eingeführt, um die thermische Zersetzung des organischen Bindemittels zu unterstützen. Die grünen Platten wurden im Ofen für wenigstens 30 Minuten auf der Höchsttemperatur von 9500C gehalten und dann abgekühlt.
Nach dem obigen Prozeß wurden Mehrschicht-Platinen mit sechs Leiterschichten hergestellt. Bei diesen Platinen fand ein Kupferleiter Anwendung, und es ergab sich ein spezifischer Leiterwiderstand von 2,5 μΩ-cm. Die relative Dielektrizitätskonstante des keramischen Materials, das aus dem Quarzglas und dem Glas mit niedrigem Erweichungspunkt bestand, betrug 5,2 (Quarzglas/Quarz mit niedrigem Erweichungspunkt = 5/95), 4,6 (30/70), 4,5 (50/50) und 4,2 (95/5) .
1o Beisp_iel_5
Quarzglas wurde in 325 Mesh oder kleiner zerrnahlen. 5 bis 95 Anteile dieses Quarzglases und 95 bis 5 Anteile eines Glases, das aus 40 % SiO2, 10 % Al3O3, 5 % MgO, 40 % B3O3 und 5 % K„0 zusammengesetzt war, wurden ausgewogen, in eine Kugelmühle gegeben und für 24 Stunden gemischt. Dazu wurden 5,9 Anteile eines Polyvinylbutyral als Bindemittel, 2,4 Anteile^Dibutylphthalat'-.als.Weichmacher und als Lösungsmittel 23,0 Anteile Trichloräthylen, 9,0 Anteile Perchloräthylen und 6,0 Anteile Butylalkohol auf der Basis von 100 Anteilen der keramischen Ausgangsmaterialien zugegeben. Die Materialien wurden in der Kugelmühle gemischt. Mit der sich ergebenden breiigen Masse wurde über das Ziehklingen-Verfahren eine grüne Platte mit einer einheitlichen Dicke von 0,2 mm hergestellt. Die grüne Platte wurde auf vorgegebene Abmessungen (70 χ 70 mm) zugeschnitten. An vorgegebenen Positionen jeder grünen Platte wurden durch Stanzen Durchgangslöcher hergestellt. Eine Silberleiterpaste wurde zur späteren Verbindung jeder keramischen Schicht in die Löcher gefüllt. Dieselbe Leiterpaste fand auf der oberen Oberfläche jeder grünen Platte Anwendung, um nach dem Siebdruckverfahren ein Muster auszubilden. Sechs grüne Platten, auf jeder von denen
ein Silberleiterbahnmuster ausgebildet worden war, wurden unter Verwendung von Führungslöchern aufeinandergestapelt und dann bei 900C mit einem Druck von 7 bar zwangsweise miteinander verklebt.
Eine Vielzahl der sich ergebenden grünen Mehrschichtplatten wurde in einen Ofen gegeben und gesintert. Als Sinteratmosphäre fand Luft Verwendung. Die grünen Platten wurden im Ofen für wenigstens 15 Minuten auf der Höchsttemperatur von 9000C gehalten und dann abgekühlt.
Nach dem obigen Prozeß wurden Mehrschicht-Platinen mit sechs Leiterschichten hergestellt. Bei diesen Platinen fand ein Silberleiter Verwendung, und es ergab sich ein spezifischer Leiterwiderstand von 2 μΩ-cm. Daher betrug die Leitungsbreite des Leiterbahnmusters 70 μπι und der Leitungswiderstand pro 1 cm Leitungslänge 0,4 Ω/cm. Der bislang in Aluminiumoxid-Mehrschicht-Platinen verwendete Wolfram-Leiter zeigt einen spezifischen Widerstand von 15 μΩ-cm und sein Leitungswiderstand für dieselbe Lei- . -tungsbreite von 70 μΐη und dieselbe Leitungslänge von 1cm' beträgt 1 Ω/cm. Bei Mehrschicht-Platinen dieses Beispiels ist der Leiterwiderstand und demgemäß der Spannungsabfall klein, und es ergibt sich kein Verzug bei der Signalübertragung. Weiterhin betragen die relativen Dielektrizitätskonstanten der keramischen Materialien 4,3 bis 5.0. Das führt zu höheren Signalübertragungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu denen der Aluminiumoxid-Keramikmaterialien mit relativen Dielektrizitätskonstanten von 9.
5 bis 95 Anteile von Quarzpulver und 95 bis 5 Anteile des in Beispiel 4 verwendeten Glases wurden abgewogen, in eine
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Kugelmühle gegeben und für 24 Stunden gemischt. Dazu wurden 5,9 Anteile Methacrylatharz, 2,4 Anteile Dibutylphthalat, 23,0 Anteile Trichloräthylen, 9,0 Anteile Perchloräthylen und 6,0 Anteile Butylalkohol zugegeben und alle Materialien für drei Stunden in der Kugelmühle gemischt, wodurch die Mischung zu einer breiigen Masse wurde. Aus der breiigen Masse wurde nach dem Ziehklingen-Verfahren eine grüne Platte mit 0,2 mm Dicke hergestellt. Die grüne Platte wurde auf vorgegebene Abmessungen (70 χ
1o 70 mm) zugeschnitten. An vorgegebenen Positionen der
grünen Platte wurden durch Stanzen Durchgangslöcher hergestellt. Zur späteren Verbindung der keramischen Schichten wurde mit der Siebdruck-Methode eine Kupferleiterpaste in die Löcher gefüllt. Dann wurde auf der oberen Oberfläehe jeder grünen Platte ein vorgegebenes Leiterbahnmuster ausgebildet. Zehn grüne Platten, auf jede von denen die Kupferleiterpaste nach dem vorgegebenen Muster aufgedruckt worden war, wurden unter Verwendung von Führungslöchern in einer vorgegebenen Reihenfolge aufeinandergestapelt. Diese gestapelten.Platten wurden bei 1200C mit einem Druck von 7 bar zwangsweise miteinander verklebt, urn eine aus zehn grünen Platten bestehende Platine herzustellen. Eine Vielzahl der sich ergebenden grünen Mehrschichtplatten wurde in einen Ofen geladen und gesintert. Als Sinteratmosphäre fand ein Formiergas mit 3 bis 7 % Wasserstoff Anwendung. Ein geringer Anteil von Wasserdampf wurde eingeführt, um die thermische Zersetzung des organischen Bindemittels zu unterstützen. Die höchste Sintertemperatur betrug 9500C. Der Anstieg auf die 950°C betrug acht Stunden; diese Temperatur wurde für eine Stunde gehalten, und danach fand in acht Stunden eine Abkühlung auf Raumtemperatur statt, womit der Sintervorgang abgeschlossen wurde.
Nach dem obigen Prozeß wurden Mehrschicht-Platinen mit
— Zo —
zehn Leiterschichten hergestellt. Bei diesen Mehrschicht-Platinen ergab sich ein Leiterwiderstand von 0,4 Ω/cm (Leitungsbreite: 70 μΐη) , und die keramischen Materialien zeigten relative Dielektrizitätskonstanten von 4,6 bis 5,2, und dementsprechend wurden hohe Signalübertragungsgeschwindigkeiten erzielt.
Beispiel_7
Es wurde ein Glas mit einem Erweichungspunkt von 7300C und einer Zusammensetzung aus 20 bis 30 % SiO-, 15 bis 20 % Al3O3, 5 bis 15 % MgO und 40 bis 60 % B3O3 hergestellt. Zu 95 bis 5 % dieses Glases wurden 5 bis 95 % Quarzglas hinzugefügt und ähnlich Beispiel 5 oder 6 Mehrschicht-Platinen hergestellt. In diesen Platinen zeigten die keramischen Materialien relative Dielektri-
15 zitätskonstanten von 4,4 bis 5,5.
Gemäß der obigen Beispiele kann ein Metall mit niedrigem Widerstand wie Kupfer oder Silber als Leiter für Mehrschicht-Platinen Verwendung finden. Daher kann der Leitungswiderstand des Leiters klein gemacht werden, selbst wenn die Leitungsbreite des Leiters schmal gemacht wird, und dadurch kann eine Mehrschicht-Platine mit hoher Dichte hergestellt werden.

Claims (6)

  1. •PATENTANWÄLTE - *
    STREHL SCHUBEL-HOPF SCHULZ
    WIDENMAYERSTRASSE 17. D-8000 MÜNCHEN 22
    DlI1L. ING I1ETKK STHICHI.
    DII'L. CHKM. DK. UKSULA SCHÜHEL-HOIT
    DII1L. !1HYS. DK. KÜTGKK SCHULZ
    AUCH KECHTSANWALT HKl DKN LANIKlKKICHTKN MÜNCHEN I UND I!
    ALSO KUKCJI1KAN PATENT ATTC)KNKYS
    HITACHI f LTD. telefon ιοη9) 223911
    TELEX 521403« SSSM D
    DEA-261 77 telecoimeh iokö) 223915
    11. Juli 1983
    Keramische Mehrschicht-Leiterplatte
    P_a_t_e_n_t_a_n_s_g_r ü_c_h_e
    Keramische Mehrschicht-Leiterplatte, in der eine Vielzahl von keramischen Schichten (1) mit jeweils einem Lei-5 terbahnmuster (3) auf der oberen Oberfläche gestapelt sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jede der keramischen Schichten ein Sinterprodukt ist, das (a) eine einzige Siliziumoxidverbindung und (b) ein 1o Glas mit einem Erweichungspunkt umfaßt, der unter dem Schmelzpunkt des die Leiterbahnmuster bildenden leitenden Materials liegt.
  2. 2. Keramische Mehrschicht-Leiterplatte, in der eine Viel-
    zahl von keramischen Schichten (1) mit jeweils einem Leiterbahnmuster (3) auf der oberen Oberfläche gestapelt sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß jede der keramischen Schichten ein Sinterprodukt ist, das (a) wenigstens zwei Arten von Siliziumoxid, die sich in der Kristallform unterscheiden, und (b) ein Glas mit einem Erweichungspunkt umfaßt, der unter dem Schmelzpunkt des die Leiterbahnmuster bildenden elektrisch leitenden Materials liegt.
  3. 3. Leiterplatte nach Anspruch 2,
    dadurch gekennz eichnet,
    daß die Komponenten (a) aus der aus Quarzglas, α-Quarz, ß-Quarz, a-Cristobalit, 3-Cristobalit, ct-Tridymit und &- Tridymit bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
  4. 4. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß das elektrisch leitende Material (3) ein einziges aus einer aus Gold, Silber und Kupfer oder deren Legierungen bestehenden Gruppe ausgewähltes Metall ist.
  5. 5. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Erweichungspunkt des Glases bsi 10500C oder darunter liegt.
  6. 6. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Sinterprodukt eine relative Dielektrizitätskonstante von 6 oder weniger aufweist.
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