DE3587481T2

DE3587481T2 - Schaltungssubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit.

Info

Publication number: DE3587481T2
Application number: DE85102159T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Anzai; Nobuo Iwase; Mitsuo Kasori; Kiyoshi Riyogi; Kazutaka Saito; Noboru Sato; Kazuo Shinozaki; Akihiko Tsuge
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-02-27
Filing date: 1985-02-27
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2005-02-28
Also published as: US4659611A; EP0153737A3; EP0153737B1; EP0153737A2; DE3587481D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltkreissubstrat.
Bisher sind Schaltkreissubstrate aus keramischen Substraten wie einem Al&sub2;O&sub3;-Substrat oder aus einem Harz-Substrat hergestellt worden. Insbesondere weisen Al&sub2;O&sub3;-Substrate höhere mechanische Festigkeits- und elektrische Isolationseigenschaften auf und können zudem leicht zu Grünplatten verarbeitet werden, was Schaltungen in hoher Dichte wie Mehrschichtschaltungen ermöglicht, so daß diese Substrate weite Anwendung gefunden haben. Jedoch ist die Wärmeleitfähigkeit von Al&sub2;O&sub3; niedrig, lediglich ca. 20 W/mK.
In letzter Zeit ist mit der Verkleinerung elektronischer Bauteile die Packungsdichte von auf einem Schaltkreissubstrat angebrachten elektronischen Bauelementen (wie ICs) erhöht worden. Außerdem werden leistungsstarke Halbleiter angewandt. Demzufolge wird eine große Menge an Wärme durch die elektronischen Bauteile erzeugt, was es bei einem Schaltkreissubstrat erforderlich macht, Wärme wirksam abzuführen. Da jedoch die Wärmeleitfähigkeit von Al&sub2;O&sub3; niedrig ist, kann bei Erzeugung einer großen Wärmemenge kaum erwartet werden, daß davon allzuviel vom Schaltkreissubstrat abgeführt wird.
Werden elektronische Bauelemente in einer Packungskonfiguration hoher Dichte angebracht oder Module hergestellt, die leistungsstarke Halbleiter enthalten, ist es daher wünschenswert, ein Schaltkreissubstrat zur Verfügung zu haben, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit zusammen mit mechanischer Festigkeit und guter elektrischer Isolierung aufweist.
Inzwischen sind in jüngerer Zeit mit den Fortschritten auf dem Gebiet der Feinkeramiktechnologie keramische Materialien wie SiC und AlN entwickelt worden, die eine überlegene mechanische Festigkeit aufweisen. Diese Materialien weisen auch eine überlegene Wärmeleitfähigkeit auf, und es ist viel Forschungsarbeit geleistet worden, diese als strukturelle Materialien zur Anwendung zu bringen. Da SiC mit 0,5 bis 3 Gew.% BeO gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, werden einige Anstrengungen unternommen, SiC als ein Schaltkreissubstratmaterial einsatzfähig zu machen. SiC weist jedoch eine hohe dielektrische Konstante und eine niedrige dielektrische Festigkeit auf, so daß ernste Probleme bestehen, dieses Material für Hochfrequenzschaltkreisvorrichtungen und für Vorrichtungen zu verwenden, auf die eine hohe Spannung angewandt wird.
Aluminiumnitrid (AlN) ist gegenüber der Aluminiumoxid-Keramik bezüglich der für Schaltkreissubstrate geforderten Eigenschaften verbessert, weil es eine herausragend hohe Wärmeleitfähigkeit von mindestens 40 W/mK, z. B. 100 W/mK, verglichen mit 20 W/mK für Aluminiumoxid, eine mechanische Festigkeit von 40 bis 50 kg/mm² (25 kg/mm² für Aluminiumoxid) und eine dielektrische Festigkeit von 140 bis 170 kV/cm (100 kV/cm für Aluminiumoxid) aufweist. Es ist erwünscht, Schaltkreissubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen, indem man diese günstigen Eigenschaften einer AlN-Keramik ausnützt.
Wegen der guten elektrischen Isolierung als auch der Wärmeleitfähigkeit sollten AlN-Substrate eine vielversprechende Anwendung als Schaltkreissubstrate finden. Von AlN wurde allerdings angenommen, daß es schwierig ist, eine leitfähige Schicht damit zu binden, und zwar wegen seiner geringen Benetzbarkeit durch Metall, wie dies durch seine Verwendung als Tiegel zum Schmelzen metallischen Aluminiums belegt wird. Es gibt kein Schaltkreissubstrat, das eine leitfähige Schicht aufweist, die direkt auf einem AlN- Substrat gebildet ist. Eine AlN-Keramik hat die einzige Anwendung als eine Hitzesenke gefunden, worauf leistungsstarke Halbleiter wie Thyristoren mit organischem Klebstoff festgemacht sind.
Da eine AlN-Keramik an Metallen kaum haftet, ist es schwierig, Materialien wie Kupfer, Silber, Silber-Platin etc. auf der Keramik für ein Schaltkreissubstrat zu verwenden.
In den japanischen Offenlegungsschriften der ungeprüften Anmeldungen 52-37914 und 50-132022 sind Verfahrensweisen zur Direktbindung einer Kupferplatte an Keramik offenbart. Obwohl eine Leitungsschicht auf einem AlN-Substrat unter Anwendung dieser Verfahren gebildet werden könnte, stellen sich Einschränkungen bezüglich der Bildung eines Feinmusters ein, und man trifft auf große Schwierigkeiten bei der Bereitstellung einer Mehrschichtschaltung, die bei Packungen hoher Dichte erforderlich ist.
Zudem weist eine AlN-Keramik eine geringe Benetzbarkeit durch Glas auf, so daß, wenn eine Glasschicht direkt auf einem AlN- Substrat ohne eine zwischengeschaltete Oxidschicht gebildet wird, die nachfolgend beschrieben wird, Blasen in die Glasschicht eingeführt werden, so daß sich eine starke Bindung nicht bewerkstelligen läßt. Man geht davon aus, daß die Blasenbildung aufgrund der Entwicklung von Gasen wie Ammoniakgas aus dem AlN-Substrat erfolgt, das an der Luft auf erhöhte Temperaturen erhitzt wird.
Die dicken Filmpasten, die in Schaltkreissubstraten angewandt werden können, schließen eine Vielzahl von Pasten ein, die gewöhnlich bei der Bildung von Leitungs- und Widerstandsschichten verwendet werden und als einen heiter ein Metall oder Metalloxid enthalten, z. B. Au, Ag, Pt, Cu, Ni, Ru, RuO&sub2;, Bi&sub2;Ru&sub2;O&sub7; etc . . Beispiele der leitfähigen Pasten, die verwendet werden können, schließen gewöhnlich Ag-, Au-, Cu-, Ni-, Al-Pasten ein. Beispiele der Widerstandspasten, die verwendet werden können, schließend eine RuO&sub2;-, LaF&sub6;-, YB&sub6;-, CaB&sub6;-, BaB&sub6;- oder SrB&sub6;-Paste ein. Es ist auch möglich, eine dielektrische Paste zu verwenden, die hauptsächlich aus Bleiborsilikatglas (PbO-SiO&sub2;-B&sub2;O&sub3;) besteht, um die dielektrische Schicht für eine Mehrschichtschaltung zu bilden. Bei einer solchen Glasverbindung ist es erwünscht, daß sie PbO enthält, um die Bindungsstärke zu erhöhen.
Die dicken Filmpasten enthalten im allgemeinen ein Lösungsmittel zur Bildung einer Aufschlämmung, einen Binder sowie zusätzlich zum als Hauptkomponente vorhandenen Leitfähigkeitspulver eine Komponente, die zur Bindung beiträgt.
Da ein Muster von elektrisch leitfähigen Wegen oder Schichten aus solch einer dicken Filmpaste gebildet werden kann, läßt sich ein fein detaillierter Schaltkreisentwurf ermöglichen. Wenn Bauteile, wie leistungsstarke Halbleiter, die eine große Menge an Wärme erzeugen, verwendet werden sollen, ist es außerdem möglich, z. B. die hauptsächlichen elektrisch leitfähigen Wege oder Schichten aus einer dicken Filmpaste zu bilden und die Elemente z. B. mit einer Kupferplatte zu verbinden, die an das AlN-Substrat gebunden ist. Eine solche Bindung kann z. B. durch Anwendung einer Technologie gemäß Offenlegungsschriften der ungeprüften Anmeldungen 52-37914 und 50-132022 bewerkstelligt werden.
Die Bindungsstrukturen an das Keramiksubstrat schließen den chemischen Bindungstyp, worin eine chemische Bindung gebildet wird, den Glasbindungstyp auf Basis einer Glashaftung sowie den gemischten Bindungstyp ein, der eine Mischung dieser Typen darstellt. Die dicken Filmpasten zur Verwendung in Schaltkreissubstraten sind vom chemischen Bindungstyp oder beruhen auf dem chemischen Bindungstyp und enthalten im wesentlichen keine Glaskomponente, obwohl eine Glaskomponente enthalten sein kann, solange sie die chemische Bindung nicht gegenläufig beeinflußt. Ist die Glaskomponente in einer Paste enthalten, treten Brüche und andere Defekte während des Backvorgangs wegen des Unterschieds beim thermischen Ausdehnungskoeffizient leicht auf, vermindert sich die Bindungskraft und erhöht sich der elektrische Widerstand.
In JP-A-57-181356 ist ein Schaltkreissubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit offenbart, das ein gesintertes Aluminiumnitrid-Keramiksubstrat enthält, bestehend aus mindestens 65 Gew.% Aluminiumnitrid und gegebenenfalls Beryllium oder einer Verbindung davon. Im Zusammenhang mit der Zugabe von Beryllium wird vermerkt, daß sie die Wärmeleitfähigkeit erhöht. Das Substrat kann auch Yttriumoxid, Kalziumoxid oder Magnesiumoxid als Sinterhilfe enthalten. Im Zusammenhang mit diesen Sinterhilfstoffen wird vermerkt, daß sie die Wärmeleitfähigkeit herabsetzen. Ein solches Substrat kann als Teil einer Halbleitervorrichtung verwendet werden.
In US-A-4072771 ist ein Verfahren zur Aufbringung einer kupferhaltigen dicken Filmleiterpaste insbesondere auf ein Al&sub2;O&sub3;-Keramiksubstrat offenbart.
Das technische Memorandum Nr 76650 der NASA offenbart die Wirkung von 30 verschiedenen Substanzen als Additive auf die Sinterung von AlN. Diese Substanzen schließen Verbindungen von Erdalkalielementen und Oxide der seltenen Erden ein. Es wird angemerkt, daß diese Additive die Verdichtung von AlN begünstigen, was eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit ergibt.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf die vorstehend aufgeführten Punkte erdacht, wobei es die Aufgabenstellung war, ein Schaltkreissubstrat bereitzustellen, das die geforderten elektrischen Eigenschaften wie einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit sowie zusätzlich eine überlegene Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltkreissubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit bereit zustellen, das einen elektrisch leitfähigen Weg oder eine entsprechende Schicht aufweist, hergestellt aus einer elektrisch leitfähigen Paste auf einem AlN-Keramiksubstrat.
Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein AlN- Schaltkreissubstrat bereitzustellen, auf dem es möglich ist, eine leitfähige Schicht und eine Glasschicht zu binden.
Die obigen Aufgaben wurden gelöst, indem man ein elektrisches Schaltkreissubstrat bereitstellt, umfassend:
(a) ein gesintertes Aluminiumnitrid-Keramiksubstrat, bestehend aus 0,01 bis 15 Gew.%, bezogen auf sein Metallelement-Äquivalent, mindestens eines Additivs, enthaltend eine dem Aluminiumnitrid vor seiner Sinterung zugefügte Komponente in der Form eines Metalloxids oder Metallcarbonats, ausgewählt aus Yttrium, Calcium, Strontium, Barium oder einem Element der seltenen Erden, wobei die Restmenge Aluminiumnitrid und zufällige Verunreinigungen darstellt, sowie
(b) einen leitfähigen Weg oder eine leitfähige Schicht, die auf dem genannten Keramiksubstrat gebildet und aus einer elektrisch leitfähigen dicken Filmpaste hergestellt sind, worin die Paste ein leitfähiges Pulver als eine Hauptkomponente und eine zusätzliche Komponente aus entweder Kupferoxid oder Blei und/oder Silizium umfaßt, wobei durch die zusätzliche Komponente eine Bindungsschicht zwischen dem Keramiksubstrat und dem Leitungsweg oder der Leitungsschicht nach Einbrennen der dicken Filmpaste gebildet wird, und wobei die Bindungsschicht jeweils entweder eine Verbindung von Kupfer, Aluminium und Sauerstoff oder eine Verbindung von Blei und/oder Silizium und Sauerstoff enthält.
Des weiteren sind diese Schaltkreissubstrate bezüglich der Bindungseigenschaften verbessert, indem eine Oxidschicht auf der Oberfläche des AlN-Substrats gebildet oder Pasten verwendet werden, die Cu&sub2;O, Pb oder Si enthalten.
Der Begriff "Schaltkreissubstrate" der vorliegenden Erfindung soll alle Substrate einschließen, die ein Schaltungsmuster wie Schaltkreissubstrate zur Anbringung von Bauelementen, IC- Chippackungen, IC-Chipträgern enthalten.
Die Erfinder haben Anwendungen eines Schaltkreissubstrats aus einem AlN-Substrat untersucht, das verbesserte elektrische Widerstands- und dielektrische Festigkeitseigenschaften sowie zusätzlich eine bessere Wärmeleitfähigkeit als andere Materialien wie Al&sub2;O&sub3; aufweisen.
Die theoretische Wärmeleitfähigkeit von AlN beträgt 300 W/mK, was einen sehr guten Wert darstellt und die Verwendung als Schaltkreissubstratmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit gewährleistet. Zum Erhalt der geforderten Wärmeleitfähigkeit ist es erwünscht, daß das AlN-Pulvermaterial Sauerstoff im Bereich bis zu 7 Gew.% enthält.
Ein gesintertes Keramiksubstrat, das im wesentlichen aus AlN alleine besteht, weist geringe Benetzungseigenschaften bezüglich Metall auf, aber es ist herausgefunden worden, daß die Benetzungseigenschaften verbessert werden können, indem man ein gesintertes Aluminiumnitrid-Keramiksubstrat erzeugt, bestehend im wesentlichen aus einem Bestandteil, ausgewählt aus der Gruppe aus Yttrium, seltenen Erdmetallen (z. B. Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Dysprosium) und Erdalkalimetallen (z. B. Calcium, Strontium, Barium), wobei die Restmenge im wesentlichen Aluminiumnitrid und zufällige Verunreinigungen darstellt, was im wesentlichen die hohe Wärmeleitfähigkeit verbessert, die der Hauptvorteil von AlN ist. Der elektrisch leitfähige Weg oder die entsprechende Schicht können dann gebildet werden, indem man eine elektrisch leitfähige dicke Filmpaste verwendet.
Somit kann ein Schaltkreissubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit erzeugt werden, indem man elektrisch leitfähige Wege oder Schichten einer elektrisch leitfähigen Paste auf einem gesinterten Aluminiumnitrid-Keramiksubstrat bildet, das im wesentlichen mindestens einen Bestandteil enthält, ausgewählt aus der Gruppe aus Yttrium, Metallen der seltenen Erden und Erdalkalimetallen, wobei die Restmenge im wesentlichen Aluminiumnitrid und zufällige Verunreinigungen darstellt. Dieses AlN-Substrat kann bei atmosphärischem Druck gesintert werden, was kostenmäßig vorteilhaft ist.
Der Bestandteil oder das Additiv sind in Form von Oxiden oder Carbonaten zugefügt, welche während dem Sinter- oder Einbrennvorgang in Oxide überführt werden.
Von diesen Bestandteilen oder Additiven wird angenommen, daß sie in der Form von Oxiden oder zusammengesetzten Oxiden im Keramiksubstrat vorliegen. Diese Additive waren bisher als Zusatzstoffe zur Sinterung im Stand der Technik bekannt, aber die hier auftretenden Erfinder haben herausgefunden, daß sie die Wärmeleitfähigkeit steigern und die Benetzungseigenschaften bezüglich Metall verbessern.
Diese Additive (z. B. Yttriumoxid, Oxide der seltenen Erdmetalle, Erdalkalimetallcarbonate) verbessern bei Zufügung in kleinen Mengen die Benetzungseigenschaften des Keramiksubstrats bezüglich Metall. Zu diesem Zweck sollte der Gehalt an Additiv mindestens ca. 0,01 Gew.% an Metallelement- Äquivalent betragen. Die Additivmenge, bezogen auf Metallelement-Äquivalent sollte ca. 15 Gew.% nicht übersteigen, da eine so große Menge die Wärmeleitfähigkeit herabsetzt.
Demgemäß enthält das hier verwendete "AlN-Substrat" diese Additive in den umgebenen Mengen.
Es gibt auch noch weitere Additive wie NiO oder Al&sub2;O&sub3;, die dem Keramiksubstrat zugefügt werden könnten. Dabei besteht kein Problem, falls sie in der Form von Verbindungsgemischen mit einem oder mehreren der oben genannten Additive zugefügt sind, wenn sie aber unabhängig voneinander eingesetzt werden, rufen sie eine Herabsetzung der Wärmeleitfähigkeit hervor und verhindern, daß die Benetzungseigenschaften des Keramiksubstrats bezüglich Metall verbessert werden, so daß sie nicht besonders wirksame Additive sind.
Es ist ferner herausgefunden worden, daß eine starke Bindung bei relativ niedrigen Temperaturen von 800 bis 900ºC bewerkstelligt werden kann, wenn die dicke Filmpaste Blei (Pb) oder Silizium (Si) enthält, und daß bei Bildung einer Leitungsschicht unter Verwendung einer solchen dicken Filmpaste eine Bindungsschicht, worin mindestens eines der Elemente von Pb und Si zusammen mit O vorliegt, zwischen der Leitungsschicht und dem AlN-Substrat gebildet wird.
Bezüglich der Bindung zwischen Pb und/oder Si und O in dieser Bindungsschicht macht es die Dünne der Schicht selbst schwierig, die Verbindung, die diese Elemente bilden, und den Mechanismus der Schaffung einer starken Bindung zu analysieren. Es wird allerdings angenommen, daß wahrscheinlich eine kompliziertere Verbindung von (Pb, Si)- O gebildet wird, die dazu dient, das AlN-Substrat mit der Hauptkomponente der dicken Filmpaste, z. B. Au, Cu, fest zu verbinden.
Die extreme Dünne der Bindungsschicht macht es schwierig, ihren absoluten Wert zu ermitteln, aber ein Wert in der Größenordnung von einigen um, und insbesondere 0,5 bis 20 um, mag im allgemeinen ausreichen. Zu dicke Schichten neigen eher dazu, abgespalten zu werden.
Der Gehalt an Pb, Si und O in der Bindungsschicht kann nicht spezifiziert werden, und zwar wegen der Schwierigkeit der Analyse, obwohl es empirisch bestätigt ist, daß die einzige Erfordernis darin besteht, daß die Koexistenz von mindestens einem der Elemente von Blei und Silizium mit Sauerstoff gegeben ist.
Zur Bildung einer solchen Bindungsschicht kann mindestens eines der Elemente von Blei und Silizium in einer dicken Filmpaste vorhanden sein. Sauerstoff kann geliefert werden, indem man Blei in Form von Oxid zufügt, oder er stammt aus einer organischen Substanz wie einem Binder in der Paste oder man führt einen Backvorgang in einer oxidierenden Atmosphäre durch. Sauerstoff kann auch vorher im AlN-Substrat enthalten sein.
Dieser Einschluß von Sauerstoff kann durch verschiedene Verfahren durchgeführt werden, einschließlich der Verwendung eines sauerstoffhaltigen Ausgangsmaterials, der Zugabe eines Oxids wie Y&sub2;O&sub3; sowie Oberflächenoxidation.
Wird eine solche dicke Filmpaste verwendet und einem Backvorgang unterzogen, wandern Pb-, Si- und O-Atome in die und konzentrieren sich an der Bindungszwischenphase, um eine Bindungsschicht zu bilden, worin Pb und Si mit O in Koexistenz vorliegen. Die wirksamen Gehaltsmengen von Blei und Silizium in der dicken Filmpaste, die zur Bildung der Bindungsschicht erforderlich sind, können niedrig sein, und ein signifikanter Effekt wird erhalten bei Gehalten von mindestens ca. 0,005 Gew.% (berechnet als Metallelement). Die Obergrenze beträgt ca. 5 Gew.% (berechnet als Metallelement), weil höhere Gehaltsmengen den elektrischen Widerstand der Leitungsschicht ohne wesentliche Steigerung der Bindungsstärke erhöhen. Das Blei kann teilweise reduziert und als metallisches Blei während des Backvorgangs niedergeschlagen werden. Dies ergibt eine verminderte Feuchtigkeitsbeständigkeit der Schaltkreissubstrate. Die Abscheidung von metallischem Blei ist ziemlich wahrscheinlich im Falle eines Backvorganges in einer reduzierenden Atmosphäre. Aus diesem Grund kann der Bleigehalt vorzugsweise nicht mehr als 4 Gew.% (berechnet als Metallelement) betragen.
Die Erfinder haben auch herausgefunden, daß der elektrische Leitungsweg oder die entsprechende Schicht direkt auf dem AlN-Substrat gebildet werden können, indem man eine leitfähige dicke Filmpaste verwendet, die Kupferoxid enthält. Die dicke Filmpaste, enthaltend Kupferoxid, bildet eine Schicht einer Oxidverbindung in der Zwischenphase, bestehend aus CuAlO&sub2;, CuAl&sub2;O&sub4; etc. Dabei soll eine stärkere Bindung als bei Bindung mit anderen Pasten erzeugt werden. Beträgt die Bindungsstärke mindestens 1 kg/mm², ist sie für den praktischen Gebrauch angemessen. Kupferoxid ist in nur einer kleinen Menge erforderlich, um diesen Effekt zu erzeugen. Um die Bindungsfestigkeit zu ergeben, sollte Kupferoxid in einer Menge von mindestens ca. 0,1 Gew.% (Cu&sub2;O-Äquivalent) vorhanden sein. Wenn andererseits zu viel vorhanden ist, erhöht sich der elektrische Widerstand, so daß die Cu&sub2;O- Äquivalentmenge ca. 30 Gew.% nicht übersteigen sollte.
Außerdem ist herausgefunden worden, daß die Bildung einer Oxidschicht auf Aluminiumnitrid die Benetzbarkeit durch Metall verbessern kann, um eine darauf zu bildende Leitungsschicht entstehen zu lassen. Es ist ebenfalls herausgefunden worden, daß eine auf einem AlN-Substrat gebildete Glasschicht mit einer zwischengeschalteten Oxidschicht frei von Blasen ist und fest an das Substrat gebunden wird.
Die Bindungsfähigkeit einer Glasschicht an ein AlN-Substrat ist für Schaltkreissubstrate sehr wichtig. Im Falle einer Versiegelung, wo z. B. eine Kappe mit einem Substrat zu verbinden ist, kann eine Versiegelung mit Glas angewandt werden. Zur Haftung zwischen einem Bleirahmen und einem Substrat kann eine Bindung durch Glas angewandt werden. Im Falle von gedruckten Mehrschichtpackungen, worin eine dielektrische Schicht zur Zwischenschichtisolation notwendig ist, kann ferner eine Glasschicht als die dielektrische Schicht benutzt werden.
Die Glasschichten, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung einsetzbar sind, können im allgemeinen ausgewählt sein aus denjenigen, die auf Aluminiumoxid-Substraten verwendet werden. Z.B. können Gläser aus PbO-SiO&sub2;-B&sub2;O&sub3;, BaO-SiO&sub2;-B&sub2;O&sub3; und ähnliche Systeme verwendet werden. In Anbetracht des Einflusses der Glassicht auf das AlN-Substrat, z. B. auf eine Änderung im Oxidationszustand des AlN- Substrats, kann ein Glas mit einem Erweichungspunkt von 350 bis 950ºC bei einer Temperatur von ca. 400 bis 1000ºC angewandt werden.
Die Verwendung eines AlN-Substrats mit einer Oxidschicht ermöglicht die Bildung eines blasenfreien dicken Filmmusters auf dem Substrat. Wenn insbesondere ein resistives Filmmuster gebildet wird, ergibt sich insofern ein Vorteil, als sein Widerstand reproduzierbar ist.
Ein besonderer Vorteil bei Bildung der Oxidschicht wird erhalten, wenn Widerstände auf einem Substrat gebildet werden. Da eine Widerstandspaste im allgemeinen leitfähige Partikel aufweist, die in einer Glasmatrix dispergiert sind, muß die Glasbindung ausreichend bewerkstelligt sein. Im Falle von Widerständen ist es für den Entwurf eines Schaltkreises wichtig, daß dessen Widerstand reproduzierbar ist. Wird ein AlN-Substrat ohne eine Oxidschicht verwendet, werden Blasen in einem Widerstand in der Form einer wie oben erwähnten Glasschicht eingeführt, was zu einem inkonsistenten Widerstand führt. Die Maßnahme einer Oxidschicht auf einem AlN-Substrat ermöglicht es, daß eine gute Bindung ohne Blasenbildung erreicht wird, und es läßt sich daher ein Widerstand mit einem in hohem Maß reproduzierbaren oder konsistenten Wert für den Widerstand bilden.
Die oben genannte Oxidschicht kann vorzugsweise mindestens ca. 0,5 um dick sein, weil dünnere Schichten nicht wirksam sind, um die angestrebte Festigkeit in der Bindung zwischen der Glasschicht und dem AlN-Substrat zu liefern. Die Oxidschicht kann vorzugsweise nicht mehr als ca. 100 um dick sein, weil sie, wenn sie zu dick ausfällt, wegen des Unterschieds bei der Wärmeausdehnung zwischen der Oxidschicht und dem AlN-Substrat abgespalten werden kann. Da die Oxidschicht aus Aluminiumoxid oder Boehmit zusammengesetzt ist und eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als AlN aufweist, sollte sie so dünn wie möglich sein, insofern eine im wesentlichen gleichwertige Bindungsfestigkeit erreichbar ist, und am meisten bevorzugt liegt der Wert in der Größenordnung von 2 bis 20 um.
Die Oxidschicht kann auf dem AlN-Substrat gebildet werden, z. B. durch eine Behandlung an Luft bei erhöhten Temperaturen. Die Ausdehnung der sich bildenden Oxidschicht schwankt mit der Temperatur und Zeit dieser Hitzebehandlung. Die Behandlungszeit kann sich verkürzen, wenn die Temperatur der Hitzebehandlung erhöht wird. Die Hitzebehandlung kann vorzugsweise bei ca. 1000 bis 1300ºC ca. 0,5 bis 3 h lang durchgeführt werden. Weitere hier anwendbare Verfahren schließen eine Hitzebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre, z. B. in Dampf (bei relativ niedrigeren Temperaturen als in Luft im Bereich von ca. 100 bis 140ºC, vorzugsweise unter erhöhtem Druck von z. B. 2 bis 3 Atmosphären) oder eine in einer sauren Lösung durchzuführende Tauchbehandlung ein.
Wie in den vorgenannten beispielhaften Fällen angegeben, ermöglicht die Bildung einer Oxidschicht auf einem AlN- Substrat die Bindung einer leitfähigen Schicht sowie die Bindung einer Glasschicht, wodurch sich ein Schaltkreissubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit aus AlN herstellen läßt, wobei die Vorteile von dessen hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Durchschlagfestigkeit und mechanischer Festigkeit voll ausgenutzt werden.
Das AlN-Substrat, das die vorgenannten Additive enthält, kann in ähnlicher Weise wie das im wesentlichen reine AlN-Substrat verarbeitet werden, wie dies im folgenden beschrieben wird.
Was das Additiv Cu&sub2;O betrifft, wurde zunächst ein Preßformverfahren an AlN-Pulvermaterialien in N&sub2;-Gas bei 1800ºC, 300 kg/cm², durchgeführt, um ein AlN-Substrat mit den Abmessungen 2·40·20 mm³ zu erhalten, und es wurde ein Schaltkreismuster auf diesem Substrat unter Verwendung einer Silber-Palladium-Paste vom chemischen Bindungstyp, enthaltend Cu&sub2;O (ESL 9601), gebildet. Ein 325 Mesh, Emulsionsdicke 20 um, Edelstahlnetz wurde herangezogen, um gedruckte Unterlagen von 2·2 mm, 3·3 mm und 4·4 mm zu bilden. Das Substrat wurde dann 20 Minuten bei 120ºC getrocknet, und es wurde ein Einbrennverfahren in einem Tunnelofen bei einer Spitzentemperatur von 930ºC durchgeführt.
Als nächstes wurde die Unterlage mit einer Kollophonium- Schmelze überzogen und in ein Behältnis mit Lötmittel, enthaltend auf Gewichtsbasis 2% Silber, 63% Zinn und 35% Blei bei 240ºC, getaucht und verlötet, um Drähte mit Zugfestigkeiten bis zu ca. 8 kg zu testen. Danach wurde die Bindungsfestigkeit untersucht.
Die Bindungsfestigkeit wurde unter Verwendung eines Instron- Zugfestigkeitstestgeräts bei einer Zugspannungsgeschwindigkeit von 0,5 cm/min getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Da die Messungen an Unterlagen mit 4·4 mm und 3·3 mm wegen Drahtbruchs mißlangen, sind lediglich die Ergebnisse für die Unterlage mit 2·2 mm angegeben. Tabelle 1 Unterlage Nr. Spannung (kg) Bindungsfestigkeit
Wie aus Tabelle 1 klar hervorgeht, beträgt die Bindungsfestigkeit in allen Fällen mehr als 1 kg/mm², was einen angemessenen Wert für ein Schaltkreissubstrat darstellt. Demzufolge ist es möglich, die hohe Wärmeleitfähigkeit von AlN auszunutzen, um ein Schaltkreissubstrat hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen.
Die Analyse der Haftungszwischenschicht zeigte, daß eine Schicht aus CuAlO&sub2; und/oder CuAl&sub2;O&sub4; oben auf dem AlN gebildet wurde, auf dessen Oberfläche wiederum eine eutektische Ag-Cu- Schicht und darüber eine Ag-Pd-Schicht gebildet wurden.
Bei der CuAlO&sub2;- und/oder CuAl&sub2;O&sub4;-Schicht geht man davon aus, daß sie durch die Reaktion des Kupfers in der Paste mit dem Aluminium im AlN gebildet wird. Auch wird davon ausgegangen, daß Aluminiumoxid auf der Oberfläche des AlN-Substrats vorliegt, bei diesem Aluminiumoxid nimmt man an, daß es sich mit Kupfer und Kupferoxid in der Paste vereinigt. Zudem wird die eutektische Schicht an die CuAlO&sub2;- und/oder CuAl&sub2;O&sub4;- Schicht und die Ag-Pd-Schicht fest gebunden, was die Gesamtbindungsfestigkeit erhöht.
Es wurde ein Halbleiter-Bauteil auf dem wie oben hergestellten Schaltkreissubstrat angebracht. Die Befähigung des Schaltkreissubstrats, sich verändernden Umwelteinflüssen standzuhalten, wurde getestet, indem es einem Temperaturzyklus ausgesetzt wurde, bestehend aus 30 Minuten bei -60ºC, anschließend 5 Minuten bei Normaltemperatur und dann 30 Minuten bei +125ºC. Es wurde festgestellt, daß nichts Abnormales nach Durchführung von 150 solcher Zyklen aufgetreten war.
Zum Vergleich wurde eine Probe wie folgt hergestellt:
Das wie oben beschriebene AlN-Pulver wurde einem Heißpressformverfahren in einer Stickstoffgas-Atmosphäre bei 1800ºC und 300 kg/cm² Druck unterzogen. Das Substrat, das erhalten wurde, wies eine Wärmeleitfähigkeit von 70 W/mK auf, was einen besseren Wert als den von Al&sub2;O&sub3; darstellt. Wurde allerdings eine Gold-Paste eingebrannt, war die gebildete Bindung so schwach, daß die Gold-Paste mit der Fingerspitze leicht abgekratzt werden konnte.
Was das Additiv Blei und Silizium betrifft, wurde ein AlN- Substrat hergestellt, indem man ein AlN-Pulver verformte und dann einem Heißpreßsinterverfahren in einer Stickstoffgas- Atmosphäre unter den Bedingungen von 1800ºC und 300 kg/mm² 2 h lang unterzog, und es wurde ein Muster aus einer Au-Paste, enthaltend PbO und SiO&sub2; (1,49 Gew.% Pb-Element und 0,23 Gew.% Si-Element), durch ein 250 Mesh-Netz gebildet. Dann wurde das Ganze an Luft bei 120ºC 10 Minuten lang getrocknet und an Luft bei 850ºC 10 Minuten lang einem Backvorgang unterzogen, wodurch eine Unterlage (2·2 mm, 6 Proben) gebildet wurde, die als Leitungsschicht diente.
Die Unterlage wurde dann mit einer Schmelze auf Basis Kollophonium überzogen und in ein Bad mit Lötmaterial (2% Ag/63% Sn/35% Pb) bei 240ºC getaucht, um das Lötmaterial vorab aufzubringen. Es wurden Testdrähte zur Ermittlung der Bindungsfestigkeit verlötet. Die Bindungsfestigkeit wurde unter Verwendung eines Instron-Zugfestigkeitstestgeräts bei einer Ziehgeschwindigkeit von 0,5 cm/min gemessen.
Die gemessenen Bindungsfestigkeiten betrugen maximal 2,3 kg/mm², minimal 1,5 kg/mm² und im Durchschnitt 2 kg/mm², was eine feste Bindung anzeigt.
Der Bindungszustand wurde durch XMA (Röntgenstrahl- Mikroanalyzer)-Planaranalyse untersucht, um festzustellen, daß sich Pb-, Si- und O-Atome an der Bindungszwischenschicht konzentrierten, um eine Bindungsschicht zu bilden. Sauerstoff und weitere Atome konzentrierten sich in der Bindungsschicht mit einer Breite von ca. 5 um. Es wurde keine Glaskomponente gebildet. Somit wurde herausgefunden, daß der Backvorgang SiO&sub2; und PbO hervorbrachte, die in der Paste einheitlich vorhanden waren, um in Richtung auf die Bindungszwischenschicht zu wandern, was zur Schaffung einer festen Bindung beitrug. Die Wanderung von Si- und Pb-Atomen führte zu einer erhöhten Au-Reinheit an der Oberfläche der Leitungsschicht, was eine erhöhte Drahtbindungskraft ergab, und dies stellt einen weiteren Vorteil dar.
Da, wie oben festgestellt, die Benetzungseigenschaften bezüglich Metall des Keramiksubstrates der vorliegenden Erfindung durch den Effekt der Additive verbessert werden, kann eine dicke Filmpaste ganz allgemein als elektrisch leitfähige Paste verwendet werden, um die elektrischen Leitungswege oder -schichten auf dem Substrat zu bilden, wie oben dargelegt. Es können verschiedene Typen einer dicken Filmpaste, die Bindungen auf verschiedenen Wegen bilden, wie Pasten vom Glasbindungstyp und chemischen Bindungstyp, auf das Keramiksubstrat aufgebracht werden. Diese Filmpasten bilden komplizierte Verbindungen mit den oben genannten Additiven im AlN-Substrat, und es ergibt sich somit eine starke Bindung.
Durch die vorliegende Erfindung wird es ermöglicht, daß ein Muster von elektrisch leitfähigen Wegen oder Schichten mit angemessener Bindungsfestigkeit für Gebrauchszwecke in der Praxis auf dem AlN-Substrat gebildet wird. Demgemäß weist das entstehende AlN-Substrat eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als andere Substrate wie Aluminiumoxid auf, und es verfügt ebenso über eine überlegene Durchschlagsfestigkeit, so daß es sich für ein Schaltkreissubstrat eignet, welches eine große Wärmemenge erzeugt, wie eine leistungsstarke Halbleiterpackung sowie eine Packung in hoher Dichte.
Da die elektrischen Leitungswege oder -schichten mit einer dicken Filmpaste gebildet werden können, kann das Substrat darüber hinaus für fein detaillierte Schaltkreismuster verwendet werden.
Die neuen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun des weiteren durch die folgenden erläuternden, jedoch nicht einschränkenden Beispiele von aktuellen Ausgestaltungen der Erfindung belegt.

Beispiel 1

Yttriumoxid in einer Menge von 3% elementarem Yttrium- Gewichtsäquivalent wurde AlN-Pulver zugefügt. Nach Vermischung und Formung wurde das entstandene Produkt in einer Stickstoffgas-Atmosphäre bei 800ºC unter atmosphärischem Druck gesintert, um ein AlN-Substrat herzustellen
Es wurden verschiedene dicke Filmpasten herangezogen, wie in den folgenden Beispielen gezeigt, um elektrische Leitungswege auf diesem AlN-Substrat zu bilden, und die Bindungsfestigkeiten wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Tabelle 2 Paste Bindungsfestigkeit Maximum Minimum Durchschnitt Goldpaste¹) Silber-Palladium²) Paste Kupfer-Paste³) Dielektrische Paste&sup4;)
1) Dupond 9791
2) ESL 9601
3) Cermalloy 7029D
4) Dupont 9805
Analyse der durch die Cu&sub2;O enthaltende Silber-Palladium-Paste gebildeten Bindung zeigte, daß eine CuAlO&sub2;- und/oder CuAl&sub2;O&sub4;- Schicht auf dem AlN-Substrat gebildet war. Auf dieser Schicht waren eine eutektische Schicht aus Silber-Kupfer und darauf wiederum eine Silber-Palladium-Schicht gebildet. Die eutektische Schicht aus Silber-Kupfer war sowohl an die CuAlO&sub2;- und/oder CuAl&sub2;O&sub4;- als auch an die Silber-Palladium- Schicht fest gebunden. Der Bindungsmechanismus wurde nicht aufgeklärt, aber es wird angenommen, daß starke Bindungen mit den Oxiden im AlN-Substrat in einer komplexen Bindungsbeziehung gebildet wurden.
Die dielektrische Paste bildete ebenfalls eine starke Bindung mit dem Substrat. Es wird angenommen, daß die Glaskomponente in der Paste mit den Oxiden wie Y&sub2;O&sub3; im AlN-Substrat gekuppelt wurde, um eine starke Bindung zu bilden. Diese Paste enthält ein Bleiborsilikatglas (B&sub2;O&sub3; - SiO&sub2; - PbO); es wird angenommen, daß das PbO insbesondere eine wichtige Rolle bei der Bindung spielt.

Beispiel II

Yttriumoxid wurde in einer Menge von 3 Gew.%, enthaltend 1,1 Gew.% Sauerstoff, AlN-Pulver zugefügt. Nach Vermischung und Formung wurde das entstehende Produkt bei 1800ºC unter atmosphärischem Druck in einer Stickstoffgas-Atmosphäre gesintert, um ein dichtes AlN-Substrat zu erhalten. Teile dieses AlN-Substrats wurden abgeschnitten zur Verwendung als eine Testprobe. Es wurde das Laserblitzverfahren herangezogen, um die Wärmeleitfähigkeit zu messen, und es ergab sich ein Wert von 120 W/mK, was als guter Wert zu betrachten ist.
Als nächstes wurde die Oberfläche dieses AlN-Substrats mit Gold-Paste (Dupont 9791) überzogen. Es wurde ein Muster elektrischer Leitungswege aus Gold in einer Dicke von ca. 15 um gebildet, dann wurde 10 Minuten lang bei 850ºC eingebrannt. Dann wurde Lötmaterial, bestehend aus 60 Gew.% Zinn, 35 Gew.% Blei und 5 Gew.% Silber, verwendet, um einen Metalldraht von 1 mm Durchmesser an einen der elektrischen Leitungswege zu löten. Ein Instron 1130-Spannungstestgerät wurde herangezogen, um an dem Metalldraht mit einer Geschwindigkeit von 25 mm/sec zu ziehen, um die Bindungsfestigkeit zu messen. Es wurde bestätigt, daß die Bindung stark war, und zwar mit einer Festigkeit von 1 kg/mm² oder mehr.

Beispiel III

Calciumoxid wurde in einer Menge von 3% elementarem Calcium- Gewichtsäquivalent gepulvertem AlN zugefügt. Nach Vermischung und Formung wurde das entstandene Produkt in einer Stickstoff-Atmosphäre bei 1750ºC unter atmosphärischem Druck gesintert, um ein dichtes AlN-Substrat zu erzeugen. Die Wärmeleitfähigkeit dieses AlN-Substrats wurde gemessen und mit 110 W/mK ermittelt, was als guter Wert zu betrachten ist.
Die Oberfläche dieses AlN-Substrats wurde mit der Ag-Pd-Paste (ESL 9601) überzogen, und es wurde 10 Minuten lang bei 930ºC eingebrannt, um ein Muster elektrischer Leitungsschichten zu bilden, bestehend aus einer annähernd 10 um Dicke von Ag-Pd. Es wurde dieselbe Art von Messung wie in Beispiel I durchgeführt und so bestätigt, daß die Bindungsfestigkeit mindestens 1 kg/mm² betrug.

Beispiel IV

Samariumoxid wurde in einer Menge von 1% elementarem Samarium-Gewichtsäquivalent AlN-Pulver zugefügt. Nach Vermischen und Verformung wurde das entstandene Produkt in einer Stickstoffgasatmosphäre bei 1800ºC unter atmosphärischem Druck gesintert, um ein dichtes AlN-Substrat zu bilden. Die Wärmeleitfähigkeit dieses AlN-Substrats wurde gemessen und mit 110 W/mK ermittelt, was als guter Wert zu betrachten ist.
Die Oberfläche dieses AlN-Substrats wurde mit der Kupfer- Paste (Cermalloy 7029D) überzogen, und es wurde 10 Minuten lang bei 930ºC eingebrannt, um ein Muster elektrischer Leitungswege zu bilden, bestehend aus einer annähernd 15 um Dicke an Kupfer. Es wurde dieselbe Art von Messung wie im vorherigen Beispiel durchgeführt, und es zeigte sich, daß die Bindungsfestigkeit mindestens 1 kg/m² betrug.

Beispiel V

Bariumoxid wurde in einer Menge von 0,5% elementarem Barium- Gewichtsäquivalent AlN-Pulver zugefügt. Nach Vermischung und Formung wurde das entstandene Produkt in einer Stickstoffgas- Atmosphäre bei 1750ºC unter atmosphärischem Druck gesintert, um ein dichtes AlN-Substrat zu bilden. Die Wärmeleitfähigkeit dieses AlN-Substrats wurde gemessen und mit 80 W/mK ermittelt, was als guter Wert zu betrachten ist.
Die Oberfläche dieses AlN-Substrats wurde mit der Kupfer- Paste (Cermalloy 7029D) überzogen, und es wurde 10 Minuten lang bei 930ºC eingebrannt, um ein Muster elektrischer Leitungswege zu bilden, bestehend aus einer annähernd 10 um Dicke an Kupfer. Es wurde dieselbe Art von Messung wie in den vorhergehenden Beispielen durchgeführt, und es zeigte sich, daß die Bindungsfestigkeit mindestens 1 kg/mm² betrug.

Beispiel VI

Yttriumoxid wurde in einer Menge von 0,01% elementarem Yttrium-Gewichtsäquivalent gepulvertem AlN zugefügt. Nach Vermischung und Formung wurde das entstandene Produkt durch Verpressen in einer Stickstoffgasatmosphäre bei 1800ºC und 300 kg/cm² gesintert, um ein dichtes AlN-Substrat zu bilden. Die Wärmeleitfähigkeit wurde mit 80 W/mK ermittelt. Wie in den vorherigen Beispielen wurde ein Muster von elektrischen Leitungswegen aus einer Gold-Paste gebildet, was eine Bindungsfestigkeit von mindestens 1 kg/mm² ergab.

Beispiel VII

Ein AlN-Substrat, enthaltend 3 Gew.% Y&sub2;O&sub3;&sub1; wurde einer oxidativen Behandlung an Luft bei 1250ºC 1 h lang unterzogen. Das entstehende AlN-Substrat wies eine Al&sub2;O&sub3;-Schicht einer Dicke von 6 um auf, die auf seiner Oberfläche gebildet war.
Eine Glas-Paste (Dupont 9805) wurde dann auf das Substrat an vorbestimmten Stellen aufgetragen, der Binder wurde entfernt, und es wurde ein Vorbackverfahren bei 350ºC 5 Minuten lang durchgeführt. Ein Bleirahmen aus Legierung 42 wurde dann auf das Substrat gelegt, und es wurde ein Backverfahren bei 420ºC 10 Minuten lang ausgeführt. Als nächstes wurde ein IC-Chip angebracht und gebunden, und eine Kappe aus Aluminiumoxid wurde mit dem Substrat versiegelt, indem man dieselbe Glas- Paste wie oben auftrug und das ganze bei 420ºC 10 Minuten lang verbackte.
Es wurde festgestellt, daß die Glas-Schicht eine gute Bindung ohne jegliche darin beobachtbare Blasen zu bewerkstelligen vermochte. Sowohl der Bleirahmen als auch die Kappe zeigten gute Bindungsfestigkeiten von mindestens 500 g, ausgedrückt in Vertikallast bei Bruch, was beim praktischen Gebrauch ausreichend gute Werte darstellt. Die Hitzebeständigkeit war um 15% vermindert, verglichen mit einer ähnlichen CERDIP 28 Pin-Packung unter Verwendung von Aluminiumoxid. Dies bedeutet, daß die Packung einen Input von 1,2 Watt aufnehmen kann, während eine entsprechende Aluminiumoxid-Packung einen Input von 1 Watt aufnimmt.

Beispiel VIII

Ein AlN-Substrat, enthaltend 5% Y&sub2;O&sub3;, wurde einer oxidativen Behandlung unterzogen, indem man es in einen Dampf von 121ºC und 2 Atmosphären gab und dort 168 h lang hielt. Ein Boehmit (Al&sub2;O&sub3;-artiger) Film einer Dicke von 3 bis 5 um wurde auf der Substratoberfläche gebildet. Dazu wurde eine Ag-Pd-Paste (ESL 9601) in einem gegebenen Muster gedruckt, bei 125ºC 10 Minuten lang getrocknet und dann bei 930ºC 10 Minuten lang verbacken, wobei sich eine Leitungsschicht bildete. Unter Einsatz eines 250 Mesh Netzes wurden Widerstandspasten (Dupont 16 Serien 100 k/sq, 1 k/sq und 1000 k/sq) als Glasschicht gedruckt. Nach Einbrennen bei 850ºC über 10 Minuten an Luft erreichten die Widerstände eine gute Bindung ohne jegliche darin gebildete Blasen und zeigten Widerstände innerhalb eines Abweichungsbereiches von ± 15%.

Beispiel IX

In einem Vergleichsbeispiel wurde ein Widerstand auf einem AlN-Substrat gebildet, das keiner oxidativen Behandlung unterzogen worden war. Die Widerstände zeigten weit schwankende Werte für den Widerstand mit einer Abweichung von ± 30%. Diese Tendenz galt auch für jene AlN-Substrate, die ohne Sinterhilfstoffe verpreßt waren.

Beispiel X

Einer AlN-Substrat wurde durch Vermischen von 97 Gew.% AlN- Pulver mit 3 Gew.% Yttriumoxid, Form ng der Mischung und Sintern in einer Stickstoffatmosphäre bei 1800ºC unter atmosphärischem Druck hergestellt. Dieses AlN-Substrat wies eine angemessene Wärmeleitfähigkeit in einer Höhe von 120 W/mK auf.
Als nächstes wurde eine Au-Paste, enthaltend PbO und SiO&sub2; (1,49 Gew.% Pb und 0,23 Gew.% Si), auf das AlN-Substrat aufgebracht, um eine Leitungsschicht zu bilden. Backen wurde durch Trocknen an Luft bei 120ºC über 10 Minuten durchgeführt, danach wurde an Luft bei 850ºC 10 Minuten lang verbacken, wodurch eine Unterlage gebildet wurde, die als Leitungschicht diente.
Die Bindungsfestigkeit wurde mit 1 bis 2 kg/mm² gemessen, was die Bildung einer festen Bindung anzeigt.

Beispiel XI

Zum Vergleichszweck wurde eine Au-Paste, die frei von Blei und Silizium war (eine Bi und Cd enthaltende Paste zur Verwendung mit Aluminiumoxid), auf ein AlN-Substrat aufgetragen, um eine Leitungsschicht zu bilden. Die Leitungsschicht wurde in einem Test unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Cellophan-Klebebands leicht abgespalten.

Beispiel XII

Eine weitere Probe wurde zum Vergleichszweck wie folgt gebildet:
Nickeloxid wurde in einer Menge von 3% Gewichtsäquivalent an Nickel AlN-Pulver zugefügt. Nach Vermischung und Formung wurde das entstandene Produkt 2 h lang bei 1800ºC und Normaldruck gesintert. Die Bindungsfestigkeit der Gold-Paste ergab sich in einer Größenordnung von 1 kg/mm², was ein guter Wert ist, die Wärmeleitfähigkeit war jedoch niedrig, lediglich 40 W/mK.

Beispiel XIII

Eine weitere Probe wurde zum Vergleich wie folgt gebildet:
Aluminiumoxid wurde in einer Menge von 3% Gewichtsäquivalent an Aluminium gepulvertem AlN zugefügt. Nach Vermischung und Formung wurde das entstandene Produkt durch Heißverpressen über 1 h bei 1800ºC und 300 kg/mm² Druck gesintert. Verglichen mit dem Fall, wo kein Aluminiumoxid enthalten war, war die Bindungsfestigkeit etwas erhöht, die Wärmeleitfähigkeit war aber niedrig, lediglich ca. 30 W/mK.

Claims

1. Elektrisches Schaltkreissubstrat, umfassend:

(a) ein gesintertes Aluminiumnitrid-Keramiksubstrat, bestehend aus 0,01 bis 15 Gew.%, bezogen auf sein Metallelement-Äquivalent, mindestens eines Additivs, enthaltend eine dem Aluminiumnitrid vor seiner Sinterung zugefügte Komponente in der Form eines Metalloxids oder Metallcarbonats, ausgewählt aus Yttrium, Calcium, Strontium, Barium oder einem Element der seltenen Erden, wobei die Restmenge Aluminiumnitrid und zufällige Verunreinigungen darstellt, sowie

(b) einen leitfähigen Weg oder eine leitfähige Schicht, die auf dem genannten Keramiksubstrat gebildet und aus einer elektrisch, leitfähigen dicken Filmpaste hergestellt sind, worin die Paste ein leitfähiges Pulver als eine Hauptkomponente und eine zusätzliche Komponente aus entweder Kupferoxid oder Blei und/oder Silizium umfaßt, wobei durch die zusätzliche Komponente eine Bindungsschicht zwischen dem Keramiksubstrat und dem Leitungsweg oder der Leitungsschicht nach Einbrennen der dicken Filmpaste gebildet wird, und wobei die Bindungsschicht jeweils entweder eine Verbindung von Kupfer, Aluminium und Sauerstoff oder eine Verbindung von Blei und/oder Silizium und Sauerstoff enthält.

2. Elektrisches Schaltkreissubstrat gemäß Anspruch 1, worin die genannte leitfähige Paste eine Silber-Paste ist, enthaltend Silber, Silber und Platin, oder Silber und Palladium; eine Kupfer-Paste; oder eine Gold-Paste, gegebenenfalls enthaltend Platin.

3. Elektrisches Schaltkreissubstrat gemäß Anspruch l, worin die Paste Kupferoxid enthält, wobei die Menge an Kupferoxid, als Cu&sub2;O-Äquivalent, in der Paste mit 0,1 bis 30 Gew.% vorhanden ist.

4. Elektrisches Schaltkreissubstrat gemäß Anspruch 1, worin die Paste Blei und/oder Silizium enthält, wobei die Menge an Blei und/oder Silizium, die in der Paste vorhanden ist, bezogen auf deren Metallelementäquivalent, 0,05 bis 5 Gew.% beträgt.

5. Elektrisches Schaltkreissubstrat gemäß Anspruch 1, worin die Paste Blei enthält, wobei die Menge an Blei, die in der Paste vorhanden ist, bezogen auf dessen Metallelementäquivalent, bis zu 4 Gew.% beträgt.

6. Elektrisches Schaltkreissubstrat gemäß Anspruch 1, worin die genannte Bindungsschicht, enthaltend Blei, Silizium und Sauerstoff, 0,5 bis 20 um dick ist.

7. Elektrisches Schaltkreissubstrat gemäß Anspruch 1, worin das genannte Keramiksubstrat eine Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche davon aufweist.

8. Elektrisches Schaltkreissubstrat gemäß Anspruch 7, worin eine Glasschicht an die Aluminiumoxidschicht gebunden ist.

9. Elektrisches Schaltkreissubstrat gemäß Anspruch 7, worin die genannte Aluminiumoxidschicht 2 bis 20 um dick ist.

10. Elektrisches Schaltkreissubstrat gemäß Anspruch 8, worin die genannte Glasschicht ein Widerstand ist, der leitfähige Partigel aufweist, die in einer Glasmatrix dispergiert sind.