DE3324933C2 - Keramische Mehrschicht-Leiterplatte - Google Patents

Keramische Mehrschicht-Leiterplatte

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DE3324933C2
DE3324933C2 DE3324933A DE3324933A DE3324933C2 DE 3324933 C2 DE3324933 C2 DE 3324933C2 DE 3324933 A DE3324933 A DE 3324933A DE 3324933 A DE3324933 A DE 3324933A DE 3324933 C2 DE3324933 C2 DE 3324933C2
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Abstract

Bei einer keramischen Mehrschicht-Leiterplatte, bei der elektrisch leitende Muster und keramische isolierende Schichten abwechselnd aufeinandergestapelt sind, besteht jede keramische isolierende Schicht aus einem Sinterprodukt mit einem oder mehreren Arten Siliziumoxid und einem Glas. Da das Glas einen Erweichungspunkt unter dem Schmelzpunkt des Materials der elektrisch leitenden Muster aufweist, wird das Sintern der keramischen Mehrschicht-Platinen bei niedrigen Temperaturen ermöglicht. Das Siliziumoxid dient zur Reduktion der Dielektrizitätskonstante jeder keramischen isolierenden Schicht.

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. Aluminiumoxid-Keramiken Verwendung.
Aluminiumc-id-Keramiken weisen relative Dielektrizitätskonstanten in der Größenordnung von ungefähr 9 auf und werden durch Sintern bei hohen Temperaturen von ungefähr 1500° C bis 1650° C hergestellt.
Es ist bekannt, daß die relative Dielektrizitätskonstante eines Keramiksubstrats die Signalübertragungsgeschwindigkeit eines elektronischen Schaltkreises beeinflußt Dieser Zusammenhang wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:
ld=\fer ■ l/c
Hierbei bezeichnet fjdie Übertragungsverzögerung der elektrischen Signale, fr die relative Pielektrizitäts-
konstante eines Keramiksubstrates, / 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 Größenordnung von 52 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 'st 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 Schaltkrcissignalen mit hoher Geschwindigkeit.
Oie Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Mehrschicht-Leiterplatte aus einem keramischen Substratmaterial anzugeben, das eine kleine relative Dielektrizitätskonstante aufweist und auf einer relativ niedrigen Temperatur gesintert werden kann, wobei sein thermischer Ausdehnungskoeffizient gezielt einzustellen und zu verändern ist, ohne damit gleichzeitig eine Veränderung der Dielektrizitätskonstante zu bedingen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Ansprüchen 2 bis 5 zu entnehmen.
Als keramische Materialien sind solche mit kleinen relativen Dielektrizitätskonstanten erforderlich. Es ist bekannt, daß zwischen der relativen Dielektrizitätskonstante fr und der Verzögerung im elektrischen Signal tj folgende Gleichung gilt:
In obiger Gleichung bezeichnet U eine Übertragungsverzögerung des elektrischen Signals, er die relative Dielektrizitätskonstante eines Materials, / 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 μΩ · cm und Gold mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von 2,2 μΩ · cm Leitermaterialien mit jeweils hervorragender elektrischer Leitfähigkeit und sie schmelzen bei 961°C, 10830C bzw. 10630C. Die Erfinder äer vorliegenden Anmeldung waren der Ansicht, daß, um eines dieser Leitermaterialien in gedruck- ι ο ten Schaltungen zu verwenden, Keramikmaterialien ausgewählt werden müssen, die bei Temperaturen 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 r,--M. Erweichungspunkten von 105Ü°C oder darunter, und unter diese Giäser fäiit z. B. Borsiiicatgias, Bariumborsiiieatqias, Magnesiumborsiiicatglas, Aluminiumphosphatglas und ähnliche. Es sind auch Gläser mit niedrigem Erweichungspunkt verwendbar, die BIei-(II)-oxid (Bleiglätte) enthalten. Darüber hinaus 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 Siliziumoxiden zusammen verwendet, finde;: als Materia-Iien, die bei Raumtemperatur stabil sind, Quarzglas, «-Quarz, «-Cristobalit, A-Tridymit und ähnliche und als Materialien, die bei hohen Temperaturen stabil sind, _tf-Quarz, /-Cristobalit, /9-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 1 χ 10-6/°C bis 2Ox 10-'/0C z. B. im Temperaturbereich von Raumtemperatür bis 4000C festgeiegt werden. Der Grund d^für, 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-ö/°C und Quarz hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 12 bis 15 χ 10-6/°C. Cristobaiit hat im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 2000C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1Ox 10-VC und bei Hinzutreten einer anomalen thermischen Ausdehnung, die bei ungefähr 2000C in Verbindung mit einem Phasenübergang von Λ-Cristobalit ζπ/7-Cristobalit auftritt, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 23 χ 10-VC im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 4000C. Tridymit weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 23 χ 10"V0C im selben Temperaturbereich auf, wenn eine thermische Ausdehnung hinzukommt, die in Verbindung mit einem Phasenübergang von einer «-Kristallform zu einer/?-Kristallform auftritt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Siliziumoxidarten sind in Tabelle 1 zusammengefaßt
Tabelle 1
Siliziumoxidart Thermischer Ai'.Jrhnungskoeffizieni( χ 10-°/°C)
25°Cbis2OO°C 25° C bis 400° C
0.5 0.6
12 bis 15 12 bis !5
10 23
10 23
Quarzglas
Quarz
Cristobalit
Tridymit 10 23
Daher kann durch Vermischen von wenigstens zwei Arten von sich in ihrer Kristallform untersche'denden 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 Leiterbah- es nen 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-V0C. 17,0x 10~VC bzw. 14.2 χ 10-VC auf. Falls
das keramische Substrat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hai, der sich zu stark von denen de obigen Leitermaterialien unterscheidet, treten während des Abkühlschrittes nach dem Sintern Risse der Kera mik und/oder ein Abreißen der Leiterbahnen auf, was für die Mehrschicht-Platinc nachteilig wird. 1Jm dies< Nachteile zu überwinden, ist es notwendig, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Materi als wahlweise einstellen zu können. Gemäß dieser Erfindung kann der thermische Ausdehnungskoeffizient de keramischen Materials stark an die der elektrischen Leitermaterialien angenähert werden.
Was die Teilchengrößen der keramischen Ausgangsmaterialien anlangt, so führt ein kleinerer Teilchendurch messer zu einem keramischen Substrat mit einer höheren Dichte und mit einer geringeren Oberflächenuneben heit. Idealerweise werden keramische Alisgangsmaterialien mit Teilchendurchmessern von 10 μπι oder kleine
ίο und mit Teilchengrößen von 325 Mesh oder kleiner verwendet.
Das Mischungsverhältnis zwischen Siliziumoxid und Glas ist nicht kritisch, mit der Ausnahme, daß ein zi 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 beschrie ben, die das Endziel der Erfindung ist.
Zuerst werden ein Siliziumoxidpulver und ein Glaspulver in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis abge wogen. 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 u/irH Dioctylphthala! verwendet. Als Lösungsmittel finden Methanol, Trichloräthy'cn Toluol oder ähnliches Verwendung. Die breiige Masse wird nach der Ziehklingen-Methode (Doctor-Bladc Method) auf einen Harzfilm, z. B. einen Polyester-Harzfilm, in einer Plattenform mit entsprechender Dicke (ζ. Β 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 Positioner der grünen keramischen Platte werden Löcher mit gegebenem Durchmesser durch Stanzen, Bohren odei ähnlichem hergestellt. Weiterhin wird auf die Oberfläche der Platte eine Leiterpaste aus Silber, Gold oder derer Legierungen nach vorgegebenen Mustern aufgedruckt. Die Paste wird entsprechend der Druckmethode auch in die Löcher gefüllt, um Duchgangslöcher auszubilden, die später die gestapelten grünen Platten durchdringen und die Leiterbahnmuster verbinden. Die grüne Platte, in der Leiter''3hnmuster und Durchgangslöcher 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 Gok/ieiter 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 900°C und nicht über 10500C liegt Wenn die Sintertemperatur über 1050°C hinausgeht, schmilzt Kupfer, und es treten Leitungsdurchbrand und Kurzschluß auf. Der eigentliche 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 900"C für Silber und 800° bis 1000°C für Gold. Findet ein tunnelförmiger Ofen für das Sintern Verwendung, treten unabhängig von der Art des Leiters Fäile auf, in denen die gesamte Sinterzeit von der Beschickung bis zur Entladung 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 zeigt eine perspektivische, teilweise im Schnitt dargestellte 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 »%« Gewichtsprozent.
Die Zusammensetzung und die charakteristischen Merkmale aller als Ausgangsmaterial verwendeten Gläser
so mit niedrigem Erweichungspunkt sind in Tabelle 2 gezeigt. In Tabelle 3 sind (a) das Mischungsverhältnis der Ausgangsmaterirüen jedes keramischen Materials, nämlich eines Glases mit niedrigem Erweichungspunkt und zweier oder dreier Arten von Siliziumoxid, 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 Ausdehnungskoeffizienten in einem großen Bereich zwischen 3,2 χ 10-VC und 103 x 10-VC 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 Zusammensetzung ((ic w 11.1Ii(S-11Zu) AI2O, K2O N2O MgO Bi2O1 1IaO IM» ι AII1O4 Relative
No. SiO2 20-25 10-15 5~ 15 Dielektrizitäts
40-50 15-20 5-10 — 30-50 _ konstante
] 20-30 15-20 5-10 — 40-60 _ (bei 1 MHz)
2 20-30 10-20 _ _ — 5-15 20-25 30-50 _ 5.0 - 6,0
3 15-30 15-23 — — — 5-15 25-30 20-30 4,5 - 5,5
4 20-30 5-15 — — — — 7,5-15 25-40 _ 4,0 - 5,0
5 35-50 5-15 — _ — — 5-15 20-30 4,8-5,5
6 40-60 — — — — — — 20-40 20-40 5,0-5,7
7 20-40 0-2 0-0.1 0-0,1 — — — 20-30 _ 4,1-4,5
8 60-80 — 1-4.5 1-4,5 — _ — 20-40 20-40 4,5 - 5,3
9 30-50 15-20 — _ 5-10 — — 30-50 _ 4,0 - 5,0
10 30-40 5-15 1-3 1-3 2,5-7,5 — - 30-50 - 4,0 - 5,0
Il 35-45 — — — 4,0-5,0
12 2 (Fortsetzung) Zusammensetzung (Gewichts-%) — — — Charakteristische Merkmale 4,0-5,0
Tabelle MgF2 1.5-5 _ Erweichungs 4,6 - 5,0
No. punkt ("C)
_ 900-1000
_ 700 - 800
1 — 700-800
2 — 650-740
3 — 750-800
4 — 700-800
5 — 650-750
6 5-15 650-750
7 — 700-800
8 — 730 - 820
9 _ 700-800
10 650-750
11
12
Tabelle 3 Mischungsverhältnis (Gewiehts- % Siliziumoxid %) 33 24 933 Sinter Charakteristische Merkmale Keramik
No. Glasmit 60 temperatur der gesinterten Thermischer
niedrigen 60 ("C) Relative Ausdehnungs
60 Dielek koeffizient
1 60 Name trizitäts (XlO-V0C)
5 Erweichungs 60 Quarzglas % konstante 32
punkt 40 Quarzglas 35 800 4,0 4,0
14 Glas Nr. 40 Quarzglas 30 Name % 800 4.2 55
IO 15 4 50 Quarzglas 20 Quarz 5 800 4,5 7,0
16 4 50 Quarzglas 10 Quarz 10 800 45 7,8
17 4 70 Quarzglas 5 Quarz 20 800 5,0 6.3
18 4 80 Quarzglas 30 Quarz 30 900 4.2 9,2
19 4 90 Quarzglas 10 Quarz 35 900 4,8 5,2
15 20 4 40 Quarzglas 30 Quarz 30 850 4,5 8,0
21 4 40 Oii!ir7ojac 10 Quarz 50 850 4,6 ς 1
^t»
22 7 40 Quarzglas 15 Quarz 20 800 5,0 4,8
23 7 40 Quarzglas 10 Quarz 40 800 5.0 45
24 7 40 Quarzglas 5 Γ>ιιαι"»
^ UM· U 		15 800 5,0 35
20 25 7 60 Quarzglas 50 Quarz 10 850 4.0 45
26 7 80 Quarzglas 40 Quarz 5 850 4,3 6,4
27 12 90 Quarzglas 30 Quarz 10 850 4,6 85
28 12 60 Quarzglas 20 Quarz 20 850 4,8 9,0
29 12 60 Quarzglas 10 Quarz 30 850 4,8 6,0
25 30 12 60 Quarzglas 20 Quarz 40 800 4.7 6.2
31 12 60 Quarzglas 5 Quarz 50 800 4.7 6,1
32 12 60 Quarzglas 5 Quarz 20 800 4.5 53
33 12 60 Quarzglas 20 Quarz 15 800 4,6 63
34 12 60 Quarzglas 10 Quarz 5 800 4,7 6.1
30 35 12 60 Quarzglas 10 Cristobalit 20 800 43 5.0
36 12 60 Quarzglas 20 Cristobalit 30 800 4.2 6.0
37 2 60 Quarzglas 10 Cristobalit 30 800 4,4 5,2
38 2 60 Quarzglas 20 Cristobalit 30 800 4.2 8,0
39 2 60 Quarzglas 20 Tridymit 30 800 4.7 8.2
35 40 2 60 Cristobalit 20 Tridymit 20 800 4.7 7,0
41 12 60 Quarzglas 20 Cristobalit 20 800 4.8 6,0
42 12 60 Quarzglas 10 Tridymit 20 850 4.5 5,2
43 12 60 Quarzglas 20 Tridymit 20 850 4,5 5,1
44 5 QL-nrz 20 Cristobalit 30 850 4,6 8.2
40 45 5 60 Quarz 20 Cristobalit 20 850 5,0 8,3
46 5 Cristobalit 20 Tridymit 20 850 4,9 75
47 5 50 Quarzglas 20 Cristobalit 20 850 4.8 6,0
48 5 40 10 Tridymit 20 800 4.5
49 5 30 Quarzglas Tridymit 20 7,5
45 7 50 5 Quarz 20 800 4.6
50 50 Quarzglas Cristobalit 10 95
7 Quarzglas 5 Quarz 20 800 43 103
51 Quarzglas 5 Cristobalit 15 850 4.6 8,2
52 7 Quarz 5 Quarz 45 900 4,6 9,7
50 53 7 Cristobalit 45 Quarz 55 850 45 75
54 7 25 Cristobalit 65 850 4,6
55 12 Cristobalit 5
12 Tridymit 25
55 Beispiel 1
Gemäß des in Tabelle 3 gezeigten Mischungsverhältnisses wurden insgesamt 100 Anteile von keramischen Ausgangsmaterialien abgewogen und für 24 Stunden in einer Kugelmühle gemischt Dazu wurden 6,0 Anteile von Polyvinylbutyralharz, 2,4 Anteile von Dioctylphthalat, 23,0 Anteile von Trichlorethylen, 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 120° C erhitzt, um eine grüne Platte zu gewinnen. Die grüne Platte wurde auf vorgegebene Abmessungen geschnitten. An vorgegebenen
h5 Positionen jeder Platte wurden durch Stanzen Durchgan^-Jöcher hergestellt und über die Druckmethode eine Leiterpaste aus Silber in diese Löcher geffillt 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
uuff^druckt worden war, wurden unter Verwendung von Kilhningslodiern .iiifeinandiiigi>M.iiH·!! iiiu! mil I.'Dl bei einem Druck von IO bar zwangsweise miteinander vtrklebt.
Eine Vielzahl der sich ergebenden grünen Mehrschichtplatten wurde in einen Ofen geladen und in einer Luftatmojphäre gesintert. Der Sintervorgang wurde für ungefähr 30 Minuten auf einer in Tabelle 3 gezeigten Sintertemperatur durchgeführt.
Gemäß dem obigen Prozeß wurden keramische Mehrschicht-Piatinen mit einem Querschnitt wie ar in cter 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 Leiterbahnmustei' 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 μΐη und ein Leitungswiderstand von 0,4 Ω/cm.
Beispiel 2
Gemäß dem in Tabelle 3 gezeigten Mischungsverhältnis wurden insgesamt 100 Anteile von keramischen Äusgangsmateriaiien 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 Aiweile Butylalkohol hinzugegeben und alle Materialien für 1-0 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 Höchsttemperatur 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 aufeinandergestapelt und bei 120°C mit eir.em 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 zu unterstützen. Der Sintervorgang wurde auf einer in Tabelle 3 gezeigten Sintertemperatur durchgeführt, wodurch Keramiken erzielt wurden.
Nach dem obigen Prozeß wurden Mehrschicht-Piatinen mit sechs Leiterschichten hergestellt. In diesen
1 ιαιιιιτ.11 iaiiu\.u nupiciivnuiigvii τ vi Trcnuuiig, Uhu \.j ei gaucii 3IdI L^i.llung3LM Ciich V^Ii υν um uiiu ClIl LjCIlUIIgS-widerstand von 0,4 Ω/cm.
Beispiel 3
Grüne Platten wurden 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 Ausdehungskoeffizienten der gesinterten Keramiken können in einem Bereich von annähernd 3 χ 10-V°C bis 1Ox 10-VC eingestellt werden, wodurch keramische Mehrschicht-Piatinen erzielt werden können, die hohe Signalübertragungsgeschwindigkeiten ergeben und frei von Rissen, Leiterbrüchen und Kurzschlüssen sind.
55 Beispiel 4
Es wurden 20 bis 30% SiO2,15 bis 20% Al2O3,5 bis 10% MgO, 30 bis 50% B2O3 und 5 bis 15% Bi2O3 gemischt. Diese Mischung wurde in einen Platin-Schmelztiegel gebracht und bei 1400° C geschmolzen. Die Schmelze wurde schnell bis auf Raumtemperatur abgekühlt, um ein einheitliches Glas auszubilden. Das Glas hatte einen niedrigen Erweichungspunkt von 850° bis 950° C. Dieses Glas wurde auf 325 Mesh oder kleiner zermahien, 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-phthälat, 23,0 Anteile Triehlorätnylen, 9,0 Anteile Perchloräihylen und 6,0 Anteile Butylaikohoi 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 dei Lösungsmittel auf die Höchsttemperatur von 1000C erhitzt, um eine grüne Platte auszubilden. Die grüne Platt« wurde auf vorgegebene Abmessungen (70 χ 70 mm) zugeschnitten. An vorgegebenen Positionen jeder grünei Platte wurden durch Stanzen Durchgangslöcher hergestellt und in die Löcher zur späteren Verbindung jede:
keramischen Schicht eine Leiterpaste aus Kupfer gefüllt. Dieselbe Leiterpaste wurde über die Siebdruckmetho de auf der oberen Oberfläche jeder grünen Platte angewandt, um ein Muster zu bilden. Sechs grüne Platten, au jeder von denen ein Kupferleiterbahnmuster ausgebildet worden war, wurden unter Verwendung von Füh rungslöchern aufeinandergestapelt und dann bei 120° C mit einem Druck von 7 bar zwangsweise initeinandei verklebt.
Eine Vielzahl der sich ergebenden Vielschicht-Platten wurde in einen Ofen geladen und gesintert Als Sinterat mosphäre fand Stickstoff mit 3 bis 7% Wasserstoff Anwendung. In das Gas wurde ein geringer Anteil vor Wasserdampf eingeführt, um die thermische Zersetzung des organischen Bindemittels zu unterstützen. Dit grünen Platten wurden im Ofen für wenigstens 30 Minuten auf der Höchsttemperatur von 9500C gehalten unc dann abgekühlt.
Nach dem obigen Prozeß wurden Mehrschicht-Platinen mit sechs Leiterschichten hergestellt Bei dieser 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 mi 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).
Beispiel 5
Quarzglas wurde in 325 Mesh oder kleiner zermahlen. 5 bis 95 Anteile dieses Quarzglases und 95 bis 5 Anteil· eines Glases, das aus 40% SiO2.10% AI2O3,5% MgO, 40% B2Oj und 5% K2O zusammengesetzt war, wurder ausgewogen, in eine Kugelmühle gegeben und für 24 Stunden gemischt Dazu wurden 53 Anteile eines Polyvi nylbutyral als Bindemittel, 2.4 Anteile Dibutylphthalat als Weichmacher und als Lösungsmittel 23,0 Anteil Trichloräthylen, 9,0 Anteile Perchloräthylen und 6,0 Anteile Butylalkohol auf der Basis von 100 Anteilen dei keramischen Ausgangsmaterialien zugegeben. Die Materialien wurden in der Kugelmühle gemischt Mit der siel· ergebenden breiigen Masse wurde über das Ziehklingen-Verfahren eine grüne Platte mit einer einheitlicher Dicke von 02 mm hergestellt. Die grüne Platte wurde auf vorgegebene Abmessungen (70 χ 70 mm) zugeschnit ten. An vorgegebenen Positionen jeder grünen Platte wurden durch Stanzen Durchgangslöcher hergestellt Ein< Silberleiterpaste wurde zur späteren Verbindung jeder keramischen Schicht in die Löcher gefüllt Dieselb« Leiterpaste fand auf der oberen Oberfläche jeder grünen Platte Anwendung, um nach dem Siebdruckverfahrer ein Muster auszubilden. Sechs grüne Platten, auf jeder von denen ein Silberleiterbahnmuster ausgebildet worder war, wurden unter Verwendung von Führungslöchern aufeinandergestapelt und dann bei 90° C mit einem Drucl von 7 bar zwangsweise miteinander verklebt.
Eine Vielzahl der sich ergebenden grünen Mehrschichtplatten wurde in einen Ofen gegeben und gesintert AI: Sinteratmosphäre fand Luft Verwendung. Die grünen Platten wurden im Ofen für wenigstens 15 Minuten auf de Höchsttemperatur von 9000C gehalten und dann abgekühlt.
Nach dem obigen Prozeß wurden Mehrschicht-Platinen mit sechs Leiterschichten hergestellt. Bei diese Platinen fand ein Silberleiter Verwendung, und es ergab sich ein spezifischer Leiterwiderstand von 2 μΩ - cm Daher betrug die Leitungsbreite des Leiierbahnmusters 70 μπι und der Leitungswiderstand pro 1 cm Leitungs länge 0,4fi/cm. Der bislang in Aluminiumoxid-Mehrschicht-Platinen verwendete Wolfram-Leiter zeigt eine spezifischen Widerstand von 15μΩ · cm und sein Leitungswiderstand für dieselbe Leitungsbreite von 70 μη und dieselbe Leitungslänge von 1 cm beträgt 1 Ω/cm. Bei Mehrschicht-Platinen dieses Beispiels ist der Leiterw derstand und demgemäß der Spannungsabfall klein, und es ergibt sich kein Verzug bei der Signalübertragung Weiterhin betragen die relativen Dielektrizitätskonstanten der keramischen Materialien 43 bis 5,0. Das führt zi höheren Signalübertragungsgeschwindigkeiten im Vergleich zu denen der Aluminiumoxid-Keramikmaterialie mit relativen Dielektrizitätskonstanten von 9.
Beispiel 6
5 bis 95 Anteile von Quarzpulver und 95 bis 5 Anteile des in Beispiel 4 verwendeten Glases wurden abgewo gen, in eine Kugelmühle gegeben und für 24 Stunden gemischt. Dazu wurden 5,9 Anteile Methacrylatharz. 2/ Anteile Dibutylphthalat, 23,0 Anteile Trichloräthylen, 9,0 Anteile Perchloräthylen und 6,0 Anteile Butylalkoho zugegeben und alle Materialien für drei Stunden in der Kugelmühle gemischt, wodurch die Mischung zu einei breiigen Masse wurde. Aus de« breiigen Masse wurde nach dem Ziehklingen-Verfahren eine grüne Platte m 0,2 mm Dicke hergestellt. Die grüne Platte wurde auf vorgegebene Abmessungen (70 χ 70 mm) zugeschnitten An vorgegebenen Positionen der grünen Platte wurden durch Stanzen Durchgangslöcher hergestellt. Zu
bo späteren Verbindung der keramischen Schichten wurde mit der Siebdruck-Methode eine Kupferleiterpaste it die Löcher gefüllt. Dann wurde auf der oberen Oberfläche jeder grünen Platte ein vorgegebenes Leiterbahnmu ster ausgebildet. Zehn grüne Platten, auf jede von denen die Kupferleitcrpaste nach dem vorgegebenen Muste aufgedruckt worden war, wurden unter Verwendung von Führungslöchern in einer vorgegebenen Reihenfolgi aufeinandergestapelt. Diese gestapelten Platten wurden bei 1200C mit einem Druck von 7 bar zwangsweis
b5 miteinander verklebt, um eine aus zehn grünen Platten bestehende Platine herzustellen. Eine Vielzahl der sie ergebenden grünen Mehrschichtplatten wurde in einen Ofen geladen und gesintert. Als Sinteratmosphäre fan. ein Formiergas mit J bis 7% Wasserstoff Anwendung. Ein geringer Anteil von Wasserdampf wurde eingefühn um die thermische Zersetzung des organischen Bindemittels zu unterstützen. Die höchste Sintcrlcmpcratu
betrug 9500C Der Anstieg auf die 9500C 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 zehn Leiterschichten hergestellt Bei diesen Mehrschicht-Platinen ergab sich ein Leiterwiderstand von 0,4 Ω/cm (Leitungsbreite: 70 μπι), und die kerami- 5 sehen Materialien zeigten relative Dielektrizitätskonstanten von 4,6 bis 5,2. Dementsprechend wurden hohe Signalübertragungsgeschwindigkeiten erzielt
Beispiel 7
Es wurde ein Glas mit einem Erweichungspunkt von 7300C und einer Zusammensetzung aus 20 bis 30% SiO2, 15 bis 20% Al2O3,5 bis 15% MgO und 40 bis 60% B2O3 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 Dielektrizitätskonstanten von 4,4 bis 5,5.
Gemäß den obigen Beispielen kann ein Metall mit niedrigem Widerstand wie Kupfer oder Silber als Leiter für 15 Mehrschicht-Platinen Verwendung finden. Daher kann der Leitungswiderstand des Leiters klein gehalten werden, selbst wenn seine Leitungsbreite schmal ist, und dadurch eine Mehrschicht-Platine mit hoher richte hergestellt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 20

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Keramische Mehrschicht-Leiterplatte, in der eine Vielzahl von keramischen Schichten (1) mit jeweils einem Leiterbahnmuster (3) auf der oberen Oberfläche übereinandergeschichtet sind, wobei jede keramische Schicht (1) ein Sinterprodukt ist, das (a) Siliziumoxid und (b) ein Glas enthält, dessen Erweichungspunkt unter dem Schmelzpunkt des die Leiterbahnmuster (3) bildenden elektrisch leitenden Materials liegt, dadurch gekennzeichnet, daß jede keramische Schicht (1) mindestens zwei Arten von Siliziumoxid enthält, die sich in ihrer Kristallform unterscheiden.
2. Leiterplatte nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten (a) aus der aus Quarzglas, ίο «-Quarze-Quarz, «-Cristobalit^-Cristobalit, Λ-Tridymit und /#Tridymit bestehenden Gruppe gewählt sind.
3. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, 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
4. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweichungspunkt des Glases bei 10500C oder darunter liegt
5. Leiterplatte nach einem der Ansprüche ! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterprodukt eine relative Dielektrizitätskonstante von 6 oder weniger aufweist
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