DE4234349A1

DE4234349A1 - Verbundstoffe auf glasbasis und glaskeramikbasis

Info

Publication number: DE4234349A1
Application number: DE4234349A
Authority: DE
Inventors: Kyung H Moh
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1991-10-18
Filing date: 1992-10-12
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2012-10-13
Also published as: JP3387531B2; DE4234349C2; GB2260541A; US5204289A; GB9221382D0; JPH05262561A; GB2260541B

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verbundgegenstand, wel cher Mullitblasen aufweist, welche in einer Glasmatrix und/oder einer Glas-Keramik-Matrix dispergiert sind, sowie mit einem Verfahren zum Herstellen desselben.

"Elektronische Gehäuse" oder "elektronische Baugruppen" beziehen sich allgemein auf eine Anordnung, welche halblei tende Siliziumchips hat, die an einem Substrat über eine Leiterbahn angebracht sind, wobei die Chips mittels Kunst stoff- oder Keramikmaterialien eingekapselt sind. Übliche und elektronische Gehäuse umfassen Dual-in-Line-Gehäuse (DIP), Chipträger, flache Karten und Stiftgitteranordnungen.

Um die Geschwindigkeit der elektronischen Signale durch das Substrat zu steigern, hat das Substrat vorzugsweise eine niedrige Dielektrizitätskonstante. Die Dielektrizitätskon stante des Substrats ist insbesondere bei hohen Frequenzen von Bedeutung. Elektronische Gehäusematerialien nach dem Stand der Technik umfassen polymere Materialien mit niedri ger Dielektrizitätskonstante. Derartige Polymere jedoch haben hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten (etwa 15×10^-6/°C), welche nicht gut zu den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium (etwa 3,5×10^-6/°C) passen. Da Siliziumchips haftend an dem Substrat vorgesehen sind, führt diese Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu wärmeinduzierten mecha nischen Belastungen über einen großen Bereich von Temperatu ren hinweg und schließlich zu einem Versagen der Komponente.

Glas-Keramik-Verbundstoffe wurden ebenfalls für elektroni sche Anwendungen eingesetzt. Eine Glaskeramik ist üblicher weise definiert als ein Verbundwerkstoff, welcher einen großen (typischerweise 95 bis 98) Volumenprozentsatz von sehr kleinen Kristallen (im allgemeinen kleiner als 1 Mikro meter) der Keramikphase haben, welche mit einer kleinen Menge einer Restglasphase vermischt ist, wodurch man einen porenfreien Verbundwerkstoff erhält.

Glaskeramikmaterialien werden in typischer Weise mittels einer gesteuerten Kristallisation von Glasmaterialien herge stellt. Alternativ läßt sich ein Glaskeramikmaterial dadurch erhalten, daß man Keramikpulver und Glaspulver vermischt und diese sintert, um ein Glaskeramikmaterial herzustellen.

Beispielsweise beschreibt die GB-A-22 35 443 (Ismail et al.), veröffentlicht am 3. März 1991 ein Verfahren zum Her stellen von Mullit/Cordierit-Keramikverbundstoffen, bei dem Mullit- und Cordierit-Feststoffdispersionen miteinander ver mischt werden, ein Gel hieraus erstellt wird und dann ein Brennen erfolgt, um einen Mullit/Coridierit-Keramikwerkstoff herzustellen, bei dem Mullit ein Keramikmaterial ist und Cordierit ein Glaskeramikmaterial ist. Es wird angegeben, daß die Mullit/Cordierit-Keramik als ein Substratmaterial für integrierte Schaltungen zweckmäßig ist.

In US-PS 47 52 531 (Steinberg) ist eine dielektrische Zu sammensetzung angegeben, welche ein Gemisch aus feinverteil ten Feststoffen aufweist, welche (a) ein nichtkristallisier bares Glas mit einer Deformationstemperatur (T_d) von 580 bis 625°C und einem Erweichungspunkt (T_s) von 630 bis 700°C und einen T_s-T_d-Wert von 50 bis 75°C und (b) ein wärmebeständiges Material aufweist, welches im wesentlichen im Glas bei Tem peraturen von 825 bis 900°C unlöslich ist. Die Dielektrizi tätskonstante der Arbeitsbeispiele in dieser Patentschrift liegt in einem Bereich von 6,5 bis 8,0 bei 1 KHz.

Glaskeramiksubstrate, welche eine Dielektrizitätskonstante von etwa 5,6 haben, und aus Glas- und Aluminiumoxidpulver hergestellt sind, sind an sich bekannt. Diese Substrate sind insbesondere zweckmäßig, da sie mit Kupfer oder Gold ges intert werden können. Siehe hierzu beispielsweise Shimade et al., "Low Firing Temperature Multi-Layer Glassceramic Sub strate", IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Technol., 6, (4), Seiten 382-86 (1983).

Hohle Glasmikrokugeln wurden in Glas- Keramik- und Kunst stoffmatrixmaterialien zum Einsatz bei elektronischen Ein richtungen eingebracht. Beispielsweise beschreibt US-A-48 67 935 (Morrison, Jr.) ein Verfahren zum Herstellen einer Glas masse mit niedriger Dielektrizitätskonstante, welche hohle Glasmikrokugeln in einer Glasmatrix aufweist. Diese Masse ist in Form eines Bandes oder eines Flächengebildes vergieß bar, und eine mehrlagige Flächengebildestruktur läßt sich aus dem Band herstellen.

In EP-A-02 34 896 (Kellerman), veröffentlicht am 2. Septem ber 1987 ist ein Material mit niedriger Dielektrizitätskon stante zur Verwendung bei der Ausbildung von Dickfilmschal tungen beschrieben, wobei das Material eine Dickfilmisola tionsmatrix mit einer Standardviskosität, einen organischen Dickfilmträger und eine Mehrzahl von trockenen, hohlen Glas mikrokugeln aufweist.

Die JP-A-59-1 11 345, veröffentlicht am 27. Juni 1984 be schreibt Hohlkugeln (z. B. Aluminiumoxidmikrokugeln), welche in einer Glasmatrix dispergiert sind. Die angegebene Dielek trizitätskonstante des Verbundstoffes beläuft sich auf 4 bis 5.

Die US-A-49 94 302 (Kellerman) beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Keramikbandes, bei dem hohle Glas- oder Aluminiumoxidmikrokugeln in ein ungesintertes bzw. rohes Keramikband eingedrückt werden und dann ein Brennen erfolgt.

Die US-A-51 08 958 (Moh et al.) beschreibt einen Verbund stoff, welcher hohle, dünnwandige, feuerbeständige kerami sche (beispielsweise Mullit) Blasen aufweist, welche über ein feuerbeständiges keramisches Matrixmaterial (beispiels weise Aluminiumphosphat, Aluminiumoxid, Mullit, Steatit, Forsterit und Cordierit) gleichmäßig verteilt sind.

Eine Wärmeausdehnungsfehlanpassung zwischen den Komponenten aus einem Verbundstoff, welcher beispielsweise aus der Ma trixkomponente und den Blasen oder Mikrokugelkomponenten besteht, kann zu Schwierigkeiten hinsichtlich des Leistungs vermögens führen. Wenn derartige Verbundstoffe beispiels weise erwärmt werden, um eine Metallisierungsschicht auf zubringen, können Aufwölbungen auftreten. Wenn die Wärmeaus dehnungsfehlanpassung beträchtlich ist, kann es zu einem Zersplittern der Blasen in dem Matrixmaterial oder zu einer Rißbildung bei dem Matrixmaterial kommen.

Der Einsatz von Glasblasen in Matrixmaterialien von Ver bundstoffen, welche auf hohe Temperaturen (beispielsweise größer als 900°C) erwärmt werden, kann unzweckmäßig sein. Beispielsweise werden Substrate, welche zusammen mit einer Metallisierungsschicht gebrannt werden, in typischer Weise auf Temperaturen in einem Bereich von 850 bis etwa 950°C erwärmt. Das Substrat, welches Glasmikrokugeln enthält, und das bei derartig hohen Temperaturen gebrannt wird, besitzt die Neigung, daß es eine unregelmäßige Oberfläche erhält, daß sich Aufwölbungen zeigen und daß es spröde wird. Diese unerwünschten Effekte sind auf Glasblasen zurückzuführen, die sich bei den Metallisierungstemperaturen in dem Bereich von etwa 900 bis etwa 950°C erweichen und auflösen. Bei spielsweise wird von Verweÿ et al. in "Hollow Glass Micros phere Composites: Preparation and Properties" J. Mater. Sci., 20, 1985, Seiten 1069-78 eine Röntgenstrahldiffrak tions- und Elektronenabtastmikroskopie von Siliziumoxidmi krokugeln angegeben, welche bei Temperaturen kristallisie ren, die bei dem vorstehend beschriebenen Metallisierungs verfahren auftreten.

Kristobalit, ein kristallines Polymorph von Siliziumoxid bildet sich bei Temperaturen in einem Bereich von 600 bis 700°C aus. Die Ausbildung von Kristobalit führt zu einer Volumenexpansion, welche dazu führt, daß die Mikrokugeln vollständig zusammenbrechen.

Bei elektronischen Anwendungsgebieten ist es erwünscht, daß die Substrate, welche Mikrokugeln aufweisen, diese Mikroku geln unzerstört enthalten. Gebrochene oder zerkleinerte Mikrokugeln führen zu einem Verlust an hermethischer Abdich tung und zu einer Vergrößerung der Dielektrizitätskonstante.

Für elektronische Anwendungen besteht ein Bedürfnis nach einem Substrat, welches vielseitig einsetzbar ist und Brenn temperaturen bis zu etwa 950°C, eine niedrige Dielektrizi tätskonstante (kleiner als etwa 6), eine hohe mechanische Festigkeit, eine gering offene Porosität (vorzugsweise keine offene Porosität), eine Formhaltigkeit beim Brennen und eine glatte Oberfläche (d. h. eine geringe Balligkeit, vorzugs weise von weniger als etwa ±0,05 mm) hat.

Die Erfindung stellt einen keramischen Verbundgegenstand bereit, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einem Matrixmaterial dispergiert sind, das aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einem Glasmatrixmaterial auf Borsilicatbasis und einem Glas-Keramik-Matrixmaterial auf Aluminiumsilicatbasis besteht. Der Keramikverbundgegenstand nach der Erfindung kann ferner ein elektrisch leitendes Material aufweisen, welches als Überzug auf einer Oberfläche desselben vorgesehen ist.

Der Fachmann versteht unter der Bezeichnung "Keramik" ein Material im umfassenden oder allgemeinen Sinn, welches Glas, Glaskeramik und kristalline Keramik umfaßt, und im engeren Sinne versteht man hierunter kristalline Keramikmaterialien. Der Begriff "Keramik", welcher hierbei im allgemeinen Sinne zu verstehen ist, umfaßt Glas, Glaskeramik und kristalline Keramik.

Der hierin verwendete Begriff "Glas" bezieht sich auf ein amorphes (d. h. ein Material, welches ein diffuses Röntgen strahldiffraktionsmuster ohne bestimmte Linien hat, die das Vorliegen einer kristallinen Phase anzeigen) anorganisches Oxidmaterial, welches bei hohen Temperaturen (beispiels weise etwa über 900°C) erweicht oder das Strukturgefüge verliert.

Der hierin verwendete Begriff "kristalline Keramik" bezieht sich auf ein kristallines, anorganisches Oxidmaterial, wel ches seine Strukturintegrität bei hohen Temperaturen (ober halb etwa 1000°C) beibehält.

Der hierin verwendete Begriff "Glaskeramik" bezieht sich auf ein Verbundmaterial mit einem großen Volumenprozentsatz (vorzugsweise 95 bis 98) von sehr kleinen Kristallen (vor zugsweise kleiner als etwa 1 µm) der kristallinen Kera mikphase, welche mit einer kleinen Menge der Glasphase ver mischt ist, so daß man ein Verbundwerkstoff erhält, der im wesentlichen frei von offener Porosität ist. Obgleich ein kristallines Keramikmaterial, welches mittels der Flüs sigphasensinterung verdichtet wurde, eine sehr kleine Menge einer amorphen oder glasartigen Phase an dem Korngrenzen haben kann, wird ein derartiges Material auf diesem Fachge biet nicht als ein Glaskeramikmaterial bezeichnet.

Gemäß einem weiteren Lösungsgedanken nach der Erfindung wird ein ungebrannter ("grüner") Verbundgegenstand angegeben, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einem Matrixmaterial dispergiert sind, das aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einem Glaspulvermatrixmaterial auf Borsilicatbasis, einem Glaspulvermatrixmaterial auf Alumini umsilicatbasis, einem Glaskeramikpulvermatrixmaterial auf Aluminiumsilicatbasis und einem Matrixmaterial aus einem Glaspulver auf Aluminiumsilicatbasis und einem Glaskeramik pulver auf Aluminiumsilicatbasis besteht.

Gemäß einem weiteren Aspekt nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Verbundgegenstan des bereitgestellt, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einem Matrixmaterial dispergiert sind, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Glasmatrixma terial auf Borsilicatbasis und einem Glaskeramikmatrixmate rial auf Aluminiumsilicatbasis besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a) Formgebung einer Aufschlämmung, welche ein flüs siges Medium, ein Plastifizierungsmittel, ein Bindemittel, eine Mehrzahl von Mullitblasen und ein Matrixmaterial auf weist, das aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Glaspulver auf Borsilicatbasis, Glaspulver auf Aluminiumsilicatbasis, Glaskeramikpulver auf Aluminiumsilicatbasis, und Glaspulver auf Aluminiumsilicatbasis und Glaskeramikpulver auf Alumini umsilicatbasis besteht;
b) Trocknen der geformten Aufschlämmung, wobei ein ungebrannter Gegenstand erhalten wird; und
c) Sintern des ungebrannten Körpers.

Ein Gesichtspunkt bei dem Verfahren nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß ein grüner oder teilweise gesinterter Gegenstand zusammen mit einem Vorprodukt eines stark elek trisch leitenden Materials (beispielsweise Gold, Silber, Silber/Palladium, und Kupfer) auf einer Oberfläche hiervon gebrannt werden kann.

Der Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung ist bei Anwendungsfällen zweckmäßig, bei denen ein Material erfor derlich ist, welches eine niedrige Dielektrizitätskonstante, einen niedrigen Verlustfaktor, thermische Expansionseigen schaften, welche mit Silizium kompatibel sind, und eine gute mechanische Festigkeit aufweist. Der keramische Verbundge genstand nach der Erfindung ist insbesondere als ein Sub strat für Dickfilmschaltungen, Gehäuse für integrierte Schaltungsanordnungen (d. h. Abdeckungen) und Materialien, wie Gyrotronfenster, geeignet, welche eine Durchlässigkeit für Mikrowellen oder Wellen im Millimeterbereich erforder lich machen, und die zusätzlich akzeptierbare Energieüber tragungswirkungsgrade besitzen.

Typischerweise weist der Verbundgegenstand nach der Erfin dung Mollitblasen in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 70 Volumenprozent basierend auf dem Gesamtvolumen des Verbund keramikgegenstands auf. Vorzugsweise sind die Mullitblasen in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 40 Volumenprozent ba sierend auf dem Gesamtvolumen des Verbundkeramikgegenstandes vorhanden, und insbesondere liegt der Bereich in der Größen ordnung von etwa 20 bis etwa 30 Volumenprozent. Wenn die Mullitblasen in einer Größenordnung von wesentlich kleiner als etwa 15 Volumenprozent vorhanden sind, ist die Neigung vorhanden, daß ein Verbundkeramikgegenstand zu spröde wird.

Das Vorhandensein von wesentlich mehr als etwa 70 Volumen prozent Mullitblasen führt zu der Tendenz, daß ein Verbund keramikgegenstand eine Biegesteifigkeit und eine Balligkeit (d. h. eine hohe Balligkeit, bei welcher es sich um die Gleichmäßigkeit der Ebenheit über die gesamten Abmessungen des Gegenstands handelt) hat, welche ungünstiger als bei keramischen Gegenständen ist, welche die Mullitblasen in den bevorzugten Bereichen haben.

Bei der Wahl der Rohmaterialien, die zur Zubereitung des Verbundkeramikgegenstands nach der Erfindung eingesetzt werden, und bei der Wahl der Mittel, mit denen die Rohmate rialien verarbeitet werden, sollte dahingehend Sorge getra gen werden, daß möglichst wenige kontaminierende Stoffe mit eingebracht werden, welche die elektrischen Eigenschaften des Verbundkeramikgegenstands nachteilig beeinflussen. Kon taminierende Stoffe, welche die elektrischen Eigenschaften des Verbundkeramikgegenstandes nachteilig beeinflussen, um fassen beispielsweise Na₂O oder K₂O. Vorzugsweise ist die Menge an Na₂O, wenn sie in dem Verbundkeramikgegenstand vorhanden ist, der für elektronische Anwendungen eingesetzt wird, kleiner als etwa 50 ppm. Wenn vorhanden, beläuft sich die Menge von K₂O in dem Verbundkeramikgegenstand, der für elektronische Anwendungen eingesetzt wird, vorzugsweise auf weniger als etwa 2 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt auf weniger als etwa 1 Gewichtsprozent.

Geeignete Mullitblasen oder -mikrokugeln können mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das in US-A-50 77 241 (Moh et al.) beschrieben ist. Derartige Mullitblasen oder -mikrokugeln sind typischerweise für sichtbares Licht durch lässig. Vorzugsweise werden die Mullitblasen dadurch er stellt, daß Aluminiumborsilikatblasen erwärmt werden, welche als #4 in der Tabelle 2 in US-A-50 77 241 angegeben sind und diese in Luft bei etwa 1200°C drei Stunden lang erwärmt werden. Alternativ sind bevorzugte Mullitblasen jene, die mit #9 in Tabelle 2 in der US-A-50 77 241 angegeben sind. Vorzugsweise ist das Mullit oder die Blasen auf Mullitbasis feuerbeständig (d. h. sie behalten ihre Struktur und Inte grität bis wenigstens etwa 1800°C bei), und es handelt sich dabei um feuerbeständige kristalline Keramikmaterialien. Die Schüttdichte bzw. Raummasse der Mullitblasen liegt typi scherweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,6 g/cm³.

Typische geeignete Mullitblasen haben einen Durchmesser von bis zu etwa 50 µm. Vorzugsweise haben die Mullitblasen einen Durchmesser in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 50 µm.

Insbesondere liegt der Durchmesser der Mullitblasen in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 15 µm und in besonders bevorzug ter Weise in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 10 µm.

Mullitblasen, welche Durchmesser von kleiner als etwa 1 µm haben, können zweckmäßig sein, aber es besteht hierbei die Tendenz, daß sie schwer herzustellen sind. Der Einsatz von Mullitblasen, welche Durchmesser haben, welche wesentlich größer als etwa 15 µm sind, führt zu der Tendenz, daß man Verbundkeramikgegenstände erhält, welche niedrigere Dichten, eine ungünstigere Balligkeit und ungünstigere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu dem Einsatz von Mullitblasen haben, welche Durchmesser innerhalb der bevorzugten Bereiche besitzen.

Vorzugsweise liegt die Wanddicke der Mullitblasen in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,5 µm. Blasen, welche Wand dicken haben, die wesentlich kleiner als etwa 0,05 µm sind, haben die Neigung, daß sie zu zerbrechlich bei der Verarbei tung in dem Verbundkeramikgegenstand sind.

Geeignete Glasmaterialien auf Borsilikatbasis umfassen jene an sich bei diesen Systemen bekannten Sorten, welche aus der Gruppe gewählt sind, welche Bleiborsilikat, Lithiumborsili kat, Kaliumborsilikat, Kalziumborsilikat, Natriumborsilikat, Magnesiumborsilikat, Bariumborsilikat, Aluminiumborsilikat und Kombinationen hiervon umfaßt. Das bevorzugteste Glasma terial auf Borsilikatbasis ist Bleiboraluminiumsilikatglas.

Vorzugsweise hat das Glas auf Borsilikatbasis einen Wärme ausdehnungskoeffizienten bei einem Temperaturbereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1×10^-6 bis etwa 9×10^-6/°C. In bevorzugterer Weise beläuft sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glasmaterials auf Borsili katbasis in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 300°C auf Werte in einem Bereich von etwa 1,2×10^-6 bis etwa 8,8×10^-6/°C und in noch bevorzugterer Weise liegen sie in einem Bereich von etwa 2×10^-6 bis etwa 5×10^-6/°C. Insbesondere liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient in einem Bereich von etwa 3×10^-6 bis etwa 4×10^-6/°C.

Das Glasmaterial auf Borsilikatbasis hat vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz in einem Bereich von etwa 2 bis 6 und einen Verlustfaktor (Dissipationsfaktor) von kleiner als etwa 0,004. Vorzugsweise hat das Glasmaterial auf Borsilikatbasis eine Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz in einem Bereich von etwa 3 bis etwa 5 und einen Verlustfak tor von kleiner als etwa 0,002. Der Begriff "Verlustfaktor (Dissipationsfaktor)", welcher hierin verwendet wird, bedeu tet das Verhältnis zwischen der wiedergewinnbaren (gespei cherten) und der nicht wiedergewinnbaren (Verlust als Wärme) Energie in einem Material, wenn ein elektrisches Feld an dasselbe angelegt wird.

Geeignete Glasmaterialien auf Borsilikatbasis sind im Handel beispielsweise von Ferro Corporation in Cleveland, Ohio und von Corning Glass Company in Corning, NY, erhältlich.

Geeignete Glasmaterialien und Glaskeramikmaterialien auf Aluminiumsilikatbasis umfassen die auf diesem Gebiet an sich bekannten Systeme, welche aus der Gruppe gewählt sind, wel che Magnesiumaluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat, Zinkaluminiumsilikat, Kalziumaluminiumsilikat und Kombina tionen hiervon umfaßt, wobei das Glasmaterial auf Aluminium silikatbasis ein Vorprodukt einer Glaskeramik auf Aluminium silikatbasis ist. Das bevorzugteste Glasmaterial auf Alumi niumsilikatbasis ist ein Glasmaterial auf Magnesiumalumini umsilikatbasis. Das bevorzugteste Glaskeramikmaterial auf Aluminiumsilikatbasis ist eine Magnesiumaluminiumsilikat glaskeramik.

Das Glasmaterial oder die Glaskeramik auf Aluminiumsilikat basis kann ferner Nuklierungsmittel, welche an sich bekannt sind, aufweisen.

Bekannte kristalline Keramikphasen in den vorstehend genann ten Aluminiumsilikatglaskeramikmaterialien umfassen bei spielsweise Cordierit (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂), Gehlenit (2CaO·Al₂O₃·SiO₂), Anorthit (2CaO·Al₂O₃·2SiO₂), Hardystonit (2CaO·Zno·2SiO₂), Akermanit (2CaO·MgO·2SiO₂), Spodumen (Li₂O·Al₂O₃·4SiO₂), Willemit (2ZnO·SiO₂) und Gahnit (ZnO·Al₂O₃).

Zusätzlich zu dem Aluminiumsilikatglaspulver - Glaskeramik pulver oder Kombinationen hiervon kann die Aufschlämmung oder Fest-Flüssig-Dispersion ferner kristalline Keramikpul ver auf Aluminiumsilikatbasis aufweisen.

Vorzugsweise hat die Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis einen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei einem Temperaturbe reich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1×10^-6 bis etwa 9×10^-6/°C. In bevorzugterer Weise liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Glaskeramik auf Aluminiumsi likatbasis bei etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1,2×10^-6 bis etwa 8,8·10^-6/°C und in noch bevorzugterer Weise in einem Bereich von etwa 2×10^-6 bis etwa 5×10^-6/°C. In noch bevorzugterer Weise liegt der Wärmeausdehnungskoeffi zient in einem Bereich von etwa 3×10^-6 bis etwa 4×10^-6/°C.

Die Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis hat vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 6 und einen Verlustfaktor von kleiner als etwa 0,004. In bevorzugterer Weise hat die Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis eine Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz in einem Bereich von etwa 3 bis etwa 5 und einen Ver lustfaktor von kleiner als etwa 0,002.

Geeignete Magnesiumaluminiumsilikatglaskeramikmaterialien sind beispielsweise von Spezialglasfirmen wie Oldsmar in FL erhältlich.

Die Teilchengröße des Glasmaterials auf Borsilikatbasis oder des Glasmaterials auf Aluminiumsilikatbasis oder der Glaske ramik kann mittels an sich bekannten Techniken verkleinert werden, welche beispielsweise das Zerkleinern, das Mahlen mittels einer Naßkugelmühle, das Mahlen mittels einer Troc kenkugelmühle und das Strahlmahlen umfassen.

Das flüssige Material für das Naßkugelmahlen des Glases oder der Glaskeramik, falls erforderlich, sowie zur Zubereitung der Aufschlämmung ist Wasser, eine organische Flüssigkeit oder eine Kombination hiervon. Bevorzugte flüssige Medien sind eine organische Flüssigkeit. Bevorzugte organische Flüssigkeiten umfassen beispielsweise Toluol, Trichlorethy len, Ethylalkohol und Kombinationen hiervon.

In typischer Weise ist das flüssige Medium in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Volumenprozent basierend auf dem Gesamtvolumen der Aufgabestoffe der Kugelmühle vorhanden.

Glas auf Borsilikatbasis oder Glas auf Aluminiumsilikatbasis oder Glaskeramik oder Glas- und Glaskeramikpulver, Mullit blasen, flüssige Medien, Plastifizierungsmittel und Binde mittel können mit an sich bekannten Techniken vermischt werden, welche beispielsweise das Rühren mittels Luftzugabe oder das Schalldispergieren umfassen. Hierbei sollte Sorge getragen werden, daß das Rohmaterial die Mullitblasen sowe nig wie möglich beschädigt ohne daß möglichst wenige Kon taminierungen, beispielsweise ausgehend vom Behälter, von Mischrührern, usw. in die Aufschlämmung eingebracht werden.

Um die Mullitblasen oder Mikrokugeln möglichst wenig zu beschädigen, werden das Glas- oder Glaskeramikpulver, das flüssige Medium, das Plastifizierungsmittel und das Binde mittel vorzugsweise sorgfältig vermischt, bevor die Mullit blasen zugegeben werden.

Geeignete flüssige Medien für die Aufschlämmung sind die voranstehend beim Naßkugelmahlen des Glasmaterials oder der Glaskeramik beschriebenen. In typischer Weise ist das Medium in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Volumenprozent ba ierend auf dem Gesamtvolumen der Aufschlämmungsbestandteile (einschließlich der Mullitblasen) vorhanden.

Um Luft zu entfernen, welche in die Aufschlämmung einge schlossen werden kann, wird die Aufschlämmung in typischer Weise unter einem Vakuum beispielsweise unter Anwendung einer Saugeinrichtung entlüftet.

Die Aufschlämmung weist übliche organische Bindemittel und Plastifizierungsmittel auf, welche auf diesem Gebiet bekannt sind, und die die Bildung eines Grünlings unterstützen. Zweckmäßige organische Plastifizierungsmittel umfassen bei spielsweise Glycerol, Polyethylenglycol (im Handel erhält lich beispielsweise unter der Warenbezeichnung "PEG 2000" von Union Carbide in Danburry, CT), Polyalkylenglycol, Bu tylbenzylphtalat, und Dioctylphtalat (im Handel beispiels weise erhältlich unter der Warenbezeichnung "DOP" von Al drich Chemical Co. in Milwaukee, WI). Das Gewichtsverhältnis von Plastifizierungsmittel zu Glaspulver oder Glaskeramik pulver liegt typischerweise in einem Bereich von etwa 1 : 10 zu etwa 1 : 15. Zweckmäßige organische Bindemittel umfassen beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral (im Handel beispielsweise erhältlich unter der Warenbezeichnung "BUTVAR B76" von Monsanto Polymers und Petrochemicals in St. Louis, MO), und Acrylpolymeremulsionen. Das Gewichtsverhältnis von Bindemittel zu Glaspulver oder Glaskeramikpulver liegt typi scherweise in einem Bereich von etwa 1 : 9 zu etwa 1 : 15.

Die Aufschlämmung kann ferner Dispergierungshilfsmittel auf weisen, welche an sich bekannt sind, und welche beispiels weise Maisöl und Fischöl umfassen.

Der Aufschlämmung kann die gewünschte Form unter Einsatz von üblichen Techniken, wie Bandgießen, Extrudieren und Schlit tergießen verliehen werden. Das bevorzugte Verfahren zur Formgebung der Aufschlämmung ist das Bandgießen. Die bevor zugte Form ist ein Flächengebilde oder ein Wafer. In typi scher Weise wird ein Flächengebilde gegossen, und dann wird es anschließend in dünne Scheibchen, d. h. Wafer, umgewan delt. Vorzugsweise wird ein "grünes" Flächengebilde zu Wa fern geschnitten.

Das Bandgießen ist ein übliches Verfahren, welches eine Rakel oder ein Abstreichmesser einsetzt. Zum Bandgießen ist die Viskosität der Aufschlämmung vorzugsweise in einem Be reich von etwa 2000 bis etwa 2900 cps bestimmt unter Ver wendung eines üblichen Viskosimeters (beispielsweise das unter der Warenbezeichnung "Model RVT Viscometer" von Brook field Engineers in Stoughton, MA erhältlich ist). Die Visko sität der Aufschlämmung, welche üblicherweise zu niedrig ist, kann dadurch größer gemacht werden, daß ein Teil des flüssigen Mediums abgezogen wird. Üblicherweise wird das flüssige Medium aus der Aufschlämmung während des Mischvor ganges mittels Verdampfen abgezogen.

Die geformte Aufschlämmung wird sorgfältig getrocknet, um einen "grünen" Gegenstand ohne Risse und Wölbungen herzu stellen. Das Trocknen kann mittels einigen üblichen Techni ken zum Entfernen von flüssigen Medien erfolgen, welche bei spielsweise das Erwärmen umfassen. Vorzugsweise wird die geformte Dispersion in Luft bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 40°C erwärmt.

Die Dicke eines "grünen" Bandes liegt typischerweise in einem Bereich von etwa 0,2 bis etwa 2 mm.

Vorzugsweise wird der "grüne" Gegenstand nach der Erfindung auf eine Temperatur und eine solche Zeit lang erwärmt, daß die organischen Bestandteile ausgebrannt werden. Vorzugs weise wird der "grüne" Gegenstand langsam auf eine Tempera tur in dem Bereich von etwa 25 bis etwa 350°C so ausreichend lange erwärmt, daß die organischen Bestandteile ausgebrannt werden (d. h. kalziniert werden). Die bevorzugte Erwärmungs rate hängt von der Atmosphäre ab, in welcher der Gegenstand erwärmt wird, sowie von der Menge und der Art der vorhande nen organischen Bestandteile. Vorzugsweise ist die Erwär mungsrate so ausreichend niedrig, daß eine Rißbildung, eine Pockenbildung oder eine Zerstörung des "grünen" Gegenstands während der Entfernung der organischen Bestandteile minimal ist oder verhindert wird. Vorzugsweise wird der "grüne" Gegenstand in Luft erwärmt.

Das Sintern und die Temperatur hierbei sind so ausreichend, daß das Glas- oder Glas-Keramikmatrixmaterial verdichtet, vorzugsweise vollständig verdichtet wird. Die Sinterungs atmosphäre ist typischerweise Luft. Typischerweise liegt die Sintertemperatur in einem Bereich von etwa 820 bis etwa 950°C. Für einen Verbundstoffgegenstand, welcher Glas auf Borsilikatbasis aufweist, liegt die Sintertemperatur vor zugsweise in einem Bereich von etwa 820 bis etwa 850°C. Bei einem Verbundstoffgegenstand andererseits, welcher Glaskera mik auf Aluminiumsilikatbasis aufweist, liegt die Sintertem peratur vorzugsweise in einem Bereich von etwa 820 bis etwa 950°C.

Beim Sintern eines Gegenstandes, welcher von Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis abgeleitet ist, kann es erforderlich sein, daß der Erwärmungszyklus modifiziert werden muß, um die gewünschte Keimbildung bzw. Nuklierung und das Wachstum der Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis zu erreichen. Die Modifikation hängt von der Zusammensetzung des Glases auf Aluminiumsilikatbasis ab. Die Erwärmungsbedingungen, die zur Keimbildung und zum Wachstum der Glaskeramik auf Alumini umsilikatbasis erforderlich sind, sind für eine Vielzahl von unterschiedlichen Zusammensetzungen auf dem Gebiet bekannt. Alternativ kann der Fachmann die geeigneten Erwärmungsbedin gungen aus einer Zeit-Temperatur-Umwandlungs(TTT)untersu chung des Glases bestimmen.

Die Dicke eines Flächengebildes oder eines Wafers des Ver bundkeramikgegenstandes nach der Erfindung liegt vorzugs weise in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1 mm.

Die Dichte des Verbundkeramikgegenstandes liegt typischer weise in einem Bereich von etwa 0,70 bis etwa 2,2 g/cm³. Vorzugsweise liegt die Dichte des Verbundkeramikgegenstandes in einem Bereich von etwa 0,85 bis etwa 2,2 g/cm³. Vorzugs weise ist die Biegefestigkeit des Verbundkeramikgegenstands bestimmt nach der ASTM-Verfahrensweise F417 (1984) mit der Bezeichnung "Modulus of Rupture Test for Electric/Electronic Devices" (1990 Book of ASTM Standards, Band 10.04, Amer. Soc. for Testing and Materials, 1990), dessen Offenbarungs gehalt durch die Bezugnahme mit zur vorliegenden Anmeldungs offenbarung zu rechnen ist, ist größer als etwa 15 MPa. Vorzugsweise ist die Biegefestigkeit größer als eine Festig keit von etwa 50 MPa. Vorzugsweise ist die Biegefestigkeit des Verbundkeramikgegenstandes größer als etwa 70 MPa und in noch bevorzugterer Weise größer als etwa 90 MPa.

Die Balligkeit bzw. Wölbung des Verbundkeramikgegenstandes ist vorzugsweise kleiner als etwa ±0,05 mm.

Für einen Verbundkeramikgegenstand, welcher eine Aluminium silikatglaskeramik aufweist, ist die Korngröße der Kera mikphase vorzugsweise kleiner als 1 µm.

Vorzugsweise hat der Verbundkeramikgegenstand nach der Er findung bei einer Temperatur von etwa 25°C eine Dielektrizi tätskonstante bei 1 MHz in dem Bereich von etwa 2 bis etwa 6, und einen Verlustfaktor von kleiner als etwa 0,004. Vor zugweise hat der Verbundkeramikgegenstand bei etwa 25°C eine Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 5, und einen Verlustfaktor von kleiner als etwa 0,002.

Vorzugsweise hat der Verbundkeramikgegenstand nach der Er findung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem Tempera turbereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einer Größenordnung von etwa 1×10^-6 bis etwa 9×10^-6/°C. Vorzugsweise beläuft sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundkeramikgegenstan des auf einen Wert in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich auf einen Wert in einem Bereich von etwa 2×10^-6 bis etwa 5×10^-6/°C, und in noch bevorzugterer Weise hat der Wärmeausdehnungskoeffizient einen Wert in einem Bereich von etwa 3×10^-6 bis etwa 4×10^-6/°C.

Die Homogenität des Verbundkeramikgegenstandes nach der Erfindung ist von Bedeutung, um bestimmte und wiederholbare Dielektrizitätskonstanten und Verlustgrößen über gewisse Temperaturbereiche und Frequenzen hinweg zu erreichen. Die Homogenität des Verbundkeramikgegenstands kann man durch den Einsatz von mikrobemessenen Blasen erreichen, welche eine enge Größenverteilung haben. Der Verbundkeramikgegenstand muß viele Blasen pro Kubikwellenlänge der elektromagneti schen Strahlung haben (d. h. der Durchmesser der Blasen beläuft sich auf einen nennenswerten Bruchteil der Wellen länge der auftreffenden Strahlung), damit der Gegenstand sich als ein homogenes Material verhält. Wenn der Durchmes ser der Blasen einen nennenswerten Bruchteil der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung beträgt, wirken die Blasen als einzelne Strahlenteiler. Für Hochfrequenzstrahlungen bei spielsweise (z. B. 100 GHz) müssen die Blasen Durchmesser in der Größenordnung von zehn Mikrometer oder kleiner haben.

Die physikalischen, elektrischen, mechanischen und wärmespe zifischen Eigenschaften des Verbundkeramikgegenstandes las sen sich durch Variation der Zusammensetzung des Gegenstan des entsprechend abstimmen.

Ein Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung ist beim Einsatz als ein elektronisches Substrat, auf welchem sich ein Siliziumchip befindet, derart beschaffen, daß der Wärme ausdehnungskoeffizient der Verbundkeramik zwischen etwa 25 und etwa 3OOoC vorzugsweise etwa gleich wie der Wärmeausdeh nungskoeffizient von Silizium ist (d. h. von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 3,4×10^-6 bis etwa 4×10^-6/°C).

Bei einem Verbundkeramikgegenstand, welcher ferner ein elek trisch leitendes Material aufweist, welches als Überzug auf einer Oberfläche desselben vorgesehen ist, läßt sich das Verfahren zum Herstellen des Verbundkeramikgegenstandes mit an sich bekannten Techniken modifizieren, welche zum Auf bringen eines Dickfilms aus einem elektrisch leitenden Mate rial auf der Oberfläche eines Keramikmaterials beim Einsatz einer integrierten Schaltungskomponente geeignet sind. Bei spielsweise kann ein Vorprodukt eines elektrisch leitenden Materials (beispielsweise eine Metallpaste) auf eine Ober fläche des "grünen" Gegenstands, eines teilweise gesinterten "grünen" Gegenstands, eines Verbundkeramikgegenstands oder einer Kombination hiervon aufgebracht werden. Die Paste kann auf eine Oberfläche unter Einsatz von an sich bekannten Techniken aufgebracht werden, welche beispielsweise das Siebdrucken umfassen.

Geeignete elektrisch leitende Metallpasten sind im Handel beispielsweise von E. I. Dupont de Nemours in Wilmington, DE erhältlich. Bevorzugte elektrisch leitende Metalle umfassen jene, die aus der Gruppe gewählt sind, welche Gold, Silber, Silber/Palladium und Kupfer umfaßt.

Die Paste muß typischerweise auf eine Temperatur in einer solchen Weise erwärmt werden, daß das Metall der Paste die Oberfläche des Glasgegenstands oder des Gegenstands auf Glaskeramikbasis benetzt.

Vorzugsweise wird die Paste vor dem Erwärmen auf die Sinter temperatur des Keramikverbundstoffes getrocknet. Wenn die Paste auf einen "grünen" Gegenstand, einen gebrannten Gegen stand oder einen teilweise gesinterten Gegenstand aufge bracht wird, kann der erhaltene Verbundgegenstand zusammen hiermit auf die Sintertemperatur gebrannt werden, welche zur Herstellung des Verbundkeramikgegenstandes erforderlich ist.

Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt auch die Herstellung von mehrschichtigen Verbundkeramikgegenständen, welche ggf. elektrisch leitende Materialien auf der Ober fläche einer oder mehrerer Schichten haben. Ferner wird auch ein mehrschichtiger Verbundkeramikgegenstand miterfaßt, welcher elektrisch leitendes Material auf der Oberfläche von zwei oder mehreren Schichten hat, welche elektrische Ver bindungen dazwischen haben können.

Der Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung ist bei Anwendungsfällen zweckmäßig, welche ein Material erforder lich machen, das eine niedrige Dielektrizitätskonstante, einen niedrigen Verlustfaktor, Wärmeausdehnungseigenschaf ten, welche mit Silizium kompatibel sind, und eine gute mechanische Festigkeit hat. Der Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung ist insbesondere als ein Substrat für Dickfilmschaltungen, Gehäuse für integrierte Schaltungsan ordnungen (d. h. Abdeckungen) und Materialien, wie Gyrotron fenster geeignet, welche eine Durchlässigkeit für Mikrowel len oder Wellen im Millimeterbereich zusätzlich dazu erfor derlich machen, daß man geeignete Energieübertragungswir kungsgrade hat.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachstehenden Beispielen. Die speziell aufgeführten Materialien und Mengenangaben, welche in diesen Beispielen angegeben sind, sowie weitere Bedingungen und Einzelheiten sind aber nicht beschränkend für die Erfindung zu verstehen. Alle Teile und Prozentsatzangaben beziehen sich auf das Gewicht, wenn nichts anderes angegeben ist.

Beispiel 1

Eine 2600 cm³-Porzellankugelmühle wurde mit etwa 1400 Gramm Aluminiumoxidmahlgut (1,5 cm Durchmesser; im Handel erhält lich von U.S. Stoneware Co. in Mahwah, NJ), etwa 683 Gramm Toluen, etwa 6,7 Gramm Maisöl, etwa 41,6 Gramm Dioctylphta lat (im Handel erhältlich unter der Warenbezeichnung "DOP" von Aldrich Chemical Co. in Milwaukee, WI), etwa 25 Gramm Polyethylenglykol (2000 cps; im Handel erhältlich unter der Warenbezeichnung "PEG 2000" von Union Carbide in Danbury, CT) und etwa 335 Gramm eines Blei-Boraluminiumsilikatglas pulvers (im Handel erhältlich unter der Warenbezeichnung "IP 745REG" von Ferro Corporation in Cleveland, OH) beschickt. Diese Bestandteile wurden mittels Kugeln mit einer Drehzahl von etwa 100 U/min etwa 16 Stunden lang gemahlen. Etwa 35,9 Gramm Polyvinylbutyral (im Handel erhältlich unter der Wa renbezeichnung "BUTVAR B76" von Monsanto Polymers und Petro chemicals in St. Louis, MO) wurden der Kugelmühle zugegeben. Die Bestandteile wurden dann für weitere zwei Stunden gemah len.

Mullitblasen wurden dadurch hergestellt, daß die Aluminium borsilikatblasen, welche mit #4 in der Tabelle 2 in US-A-50 77 241 (Moh et al.) angegeben sind, in Luft bei etwa 1200°C etwa drei Stunden lang erwärmt wurden. Etwa 15 Gramm Mullit blasen, welche einen Durchmesser in einem Bereich von etwa 2 bis 15 µm haben, wurden etwa 100 ml der nach dem Kugelmahlen erhaltenen Aufschlämmung der vorstehend genannten Art zu gegeben und es erfolgte eine Umrühren mit etwa 300 l/min unter Verwendung eines luftbetriebenen Mischers, welcher einen Rührer mit 3,2 Zentimeter hatte. Das Gemisch aus Auf schlämmung und Mullitblasen wurde während des Rührens einge dickt, da das flüssige Medium verdampfte. Wenn die Viskosi tät des Gemisches größer als etwa 2900 cps war, wurde das Gemisch unter Vakuum gebracht, und es wurde zur Entlüftung ein Saugdruck angelegt.

Das entlüftete Gemisch aus Aufschlämmung und Mullitblasen wurde dann gleichmäßig auf eine silikonbeschichtete Polyest erfolie unter Verwendung einer üblichen Rakeltechnik gegos sen. Das gegossene Band wurde bei Raumtemperatur etwa 10 Stunden trocknen gelassen. Das getrocknete Band wurde dann von der Polyesterfolie abgestreift, um ein "grünes" Flächen gebilde zu erhalten. Das "grüne" Flächengebilde wurde dann auf Stücke mit Abmessungen von 3,2 cm auf 2,4 cm zugeschnit ten.

Zum Test der Brauchbarkeit eines Verbundkeramikgegenstandes nach der Erfindung als ein elektronisches Substrat wurden mehrere "grüne" Stücke mit einem Überzug aus einer Palladi um/Silbermetallpaste (welche im Handel unter der Warenbe zeichnung "PD/AG 6120" von E. I. Dupont de Nemours in Wil mington, DE erhältlich ist), auf eine Oberfläche der Stücke metallisiert. Die Metallpaste wurde mittels Siebdruck auf die "grünen" Substrate mit Hilfe von üblichen Techniken aufgebracht. Die mittels Siebdruck aufgebrachte, leitende Metallpaste wurde dann in einem Ofen bei etwa 80°C etwa dreißig Minuten lang getrocknet.

Der erhaltene Gegenstand wurde dann in einem üblichen Wider standsofen in Luft gemäß folgenden Bedingungen getrocknet:
Raumtemperatur bis etwa 350°C mit etwa 30°C/Minute; Belassen bei etwa 350°C während etwa 1 Stunde; 350°C bis etwa 850°C mit etwa 30°C/Minute; und Belassen bei etwa 850°C für etwa 12 Minuten.

Die lineare Schrumpfung des gesinterten Verbundkeramikgegen stands belief sich auf etwa 12,5 Prozent. Die Balligkeit bzw. die Wölbung des gesinterten Verbundkeramikgegenstands war kleiner als etwa ±0,05 Millimeter. Die Dichte des ges interten Verbundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 1,7 g/cm³.

Die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor des ges interten Verbundkeramikgegenstands wurde unter Verwendung einer üblichen Impedanzanalyse gemessen (im Handel unter der Warenbezeichnung "HP 4192A ANALYZER" von Hewlett Packard Corp. in Palo Alto, CA). Die Dielektrizitätskonstante des gesinterten Verbundkeramikgegenstands belief sich bei 25°C und 1 MHz auf etwa 3,5 und der Verlustfaktor auf etwa 0,0001.

Die Biegesteifigkeit (d. h. 3-Punkt-Bruchwert) wurde nach dem ASTM-Verfahren F417 (1984) mit dem Titel "Modulus of Rupture Test for Electric/Electronic Device" (1990 Book of ASTM Standards, Band 10.04, Amer. Soc. for Testing and Mate rials, 1990) bestimmt, welches durch die Bezugnahme voll inhaltlich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung zu rechnen ist. Die Biegesteifigkeit des gesinterten Ver bundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 98 MPa (14,000 psi).

Der Koeffizient der Wärmeausdehnung wurde über einen Tempe raturbereich von etwa 20 bis etwa 400°C unter Verwendung eines üblichen Wärmeanalysensystems gemessen (im Handel erhältlich unter der Warenbezeichnung "PERKIN-ELMER 7 SERIES THERMAL ANALYSIS SYSTEM" von Perkin-Elmer Corp. in Norwalk, CT). Der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesinterten Ver bundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 3,5×10^-6/°C.

Ein Querschnitt des Verbundkeramikgegenstands gemäß dem Bei spiel 1 wurde mit Hilfe eines Abtastelektronenmikroskops untersucht. Die Mullitblasen wurden als gleichmäßig in der Glasmatrix verteilt festgestellt.

Beispiel 2

Das Beispiel 2 verdeutlicht den Effekt der Menge der in dem gesinterten Verbundkeramikgegenstand vorhandenen Mullitbla sen. Die Beispiele 2A, 2B, 2C und 2D wurden wie beim Bei spiel 1 beschrieben hergestellt und getestet, abgesehen davon, daß das Volumen der Mullitblasen, welche in dem ges interten Verbundkeramikgegenstand vorhanden sind, von etwa 28 bis etwa 56 Volumenprozent basierend auf dem Gesamtvolu men des gesinterten Verbundkeramikgegenstandes variiert wurde, und daß der Durchmesser der Mullitblasen in dem Be reich von etwa 2 bis etwa 30 µm variiert wurde. Die Ergeb nisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Die Dielektrizitätskonstante des gesinterten Verbundkeramik gegenstandes wurde kleiner, wenn der Prozentsatz der Mullit blasen, welche in dem Verbundkeramikgegenstand vorhanden waren, größer wurde. Die angegebene Dielektrizitätskonstante der Bleiborsilikatglassorten liegt in dem Bereich von etwa 7 bis etwa 8.

Beispiel 3

Beispiel 3 verdeutlicht einen Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung, welcher einen Magnesiumaluminiumsilikatglas keramik aufweist. Eine 2600 cm³-Porzellankugelmühle wurde mit etwa 1400 Gramm Aluminiumoxidmahlpulver (1,5 cm Durch messer; von U.S. Stoneware Co.), etwa 300 Gramm eines Cor dieritglaspulvers (im Handel erhältlich unter der Warenbe zeichnung "SP 980" von Specialty Glass Company in Oldsmar, FL), etwa 6 Gramm Maisöl, etwa 612 Gramm Toluol, etwa 22,4 Gramm Polyethylenglykol ("PEG 2000") und etwa 37,3 Gramm Dioctylphtalat ("DOP") beschickt. Die Rohmaterialien wurden in der Kugelmühle etwa 4 Stunden lang gemahlen. Etwa 32,2 Gramm Polyvinylbutyral ("BUTVAR B76") wurden der Kugelmühle zugegeben. Die Rohmaterialien wurden dann mittels der Kugel mühle etwa weitere zwei Stunden gemahlen. Etwa 100 Millili ter der erhaltenen Aufschlämmung wurde mit etwa 6 Gramm Mullitblasen (hergestellt wie beim Beispiel 1) vermischt, welche einen Durchmesser von etwa 10 Mikrometern hatten. Die erhaltene Aufschlämmung wurde geformt, getrocknet und mit tels Siebdruck mit einem Palladium/Silber-Dickfilmleiter versehen, wie dies beim Beispiel 1 angegeben ist, und dann erfolgte eine Sinterung, wie dies beim Beispiel 1 angegeben ist, abgesehen davon, daß der Erwärmungszyklus wie folgt war:
Raumtemperatur auf etwa 350°C mit etwa 15°C/Minute; Belassen bei etwa 350°C während etwa 1 Stunde; 350°C bis etwa 950°C bei 15°C/Minute; und Belassen bei etwa 950°C für etwa 1 Stunde.

Die Mullitblasen beliefen sich auf etwa 28 Volumenprozent des gesinterten Verbundkeramikgegenstands. Der gesinterte Verbundkeramikgegenstand wurde wie beim Beispiel 1 angegeben getestet.

Die Balligkeit des gesinterten Verbundkeramikgegenstands war kleiner als etwa ±0,05 Millimeter. Die Dichte des gesinter ten Verbundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 2,27 g/cm³.

Die Dielektrizitätskonstante des gesinterten Verbundkeramik gegenstands bei etwa 25°C und bei 1 MHz belief sich auf etwa 4,4 mit einem Verlustfaktor von etwa 0,0012.

Die Biegesteifigkeit des gesinterten Verbundkeramikgegen stands belief sich auf etwa 84 MPa (12,000 psi).

Beispiel 4

Beispiel 4 wurde wie beim Beispiel 3 zubereitet und gete stet, abgesehen davon, daß der Volumenprozentsatz der Mul litblasen, welche in den gesinterten Verbundkeramikgegen ständen vorhanden waren, ausgehend von etwa 21 bis etwa 35 Volumenprozent variiert wurde, und daß der Durchmesser der Mullitblasen in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 30 Mikro meter variiert wurde. Die Ergebnisse sind in der nachstehen den Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

Die Dielektrizitätskonstante wurde kleiner, wenn der Volu menprozentsatz der Mullitblasen größer wurde, welche in den gesinterten Keramikgegenständen vorhanden waren.

Beispiel 5

Die Zubereitung bei Beispiel 5 erfolgte wie beim Beispiel 3 sowie auch die Prüfung derselben, abgesehen davon, daß der Volumenprozentsatz der Mullitblasen, welche in dem gesinter ten Verbundkeramikmaterial vorhanden waren, ausgehend von etwa 28 bis etwa 57 Volumenprozent variiert wurde, und daß der Durchmesser der Mullitblasen in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 50 µm lag. Die Ergebnisse sind in der nachste hend angegebenen Tabelle 3 aufgeführt.

Tabelle 3

Die gesinterten Verbundkeramikgegenstände nach dem Beispiel 5 hatten eine glatte, weiße Oberfläche, welche frei von Rissen war. Die gesinterten Verbundkeramikgegenstände hatten keine nennenswerte Wölbung. Die Dielektrizitätskonstante und die Dichte wurden kleiner, wenn der Volumenprozentsatz der vorhandenen Blasen größer wurde, was mit dem Einbringen eines größeren Prozentsatzes an Luft in den Verbundstoff zusammenhängt. Die Biegesteifigkeit wurde mit zunehmend größer werdender Menge der Mullitblasen kleiner.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient beim Beispiel 5B von etwa 25°C bis etwa 400°C belief sich auf etwa 1,17×10^-6/°C.

Vergleichsbeispiel

Der Verbundkeramikgegenstand mit Aluminiumoxidblasen, welche in einer Magnesiumaluminiumsilikatglaskeramik dispergiert waren, wurde hergestellt.

Das Vergleichsbeispiel wurde wie beim Beispiel 3 zubereitet und getestet, abgesehen davon, daß Aluminiumoxidmikroblasen (Durchmesser von etwa 6 µm; Raummasse etwa 1 g/cm³; im Han del erhältlich von ZYP Coatings, Inc. in Oak Ridge, TN) anstelle der Mullitblasen eingesetzt wurden. Die Sinterungs bedingungen waren gleich wie beim Beispiel 3.

Die Dielektrizitätskonstante des gesinterten Verbundkeramik gegenstands bei etwa 25°C und etwa 1 MHz belief sich auf etwa 4,85 und der Verlustfaktor auf etwa 0,01. Die Biege steifigkeit des gesinterten Verbundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 40,6 MPa (5,8 ksi). Die relativ niedrige Bie gesteifigkeit ist vermutlich auf die unzulängliche Verdich tung zurückzuführen.

Zur weiteren Verdichtung des gesinterten Vergleichsbeispiels erfolgte eine weitere Sinterung bei etwa 980°C eine Stunde lang. Bei der Sinterung auf dieser höheren Temperatur jedoch verlor der Verbundkeramikgegenstand seine Ebenheit vermut lich in Folge der Fehlabstimmung der Wärmeausdehnung der Magnesiumaluminiumsilikatglas-Keramikmatrix (typischerweise etwa 2×10^-6/°C) und der Aluminiumoxydmikroblasen (typischer weise mit etwa 8,8×10^-6/°C). Ferner wurde festgestellt, daß der gesinterte Keramikgegenstand bei 980°C Wölbungen hatte und Risse zeigte.

Zahlreiche Modifikationen und Änderungen der Erfindung kön nen vom Fachmann vorgenommen werden, ohne den Erfindungs gedanken zu verlassen, und die Erfindung ist nicht auf die dargestellten bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, welche vorstehend erläutert wurden.

Claims

1. Verbundkeramikgegenstand, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Mullitblasen, welche in einer Matrix dis pergiert sind, welche aus der Gruppe gewählt ist, die aus einer Glasmatrix auf Borsilikatbasis und einer Glaskeramikmatrix auf Aluminiumsilikatbasis besteht.

2. Verbundkeramikgegenstand nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Glas auf Borsilikatbasis einen Erweichungspunkt im Bereich von etwa 625 bis etwa 650°C und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperatur bereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1×10^-6 bis etwa 9×10^-6/°C hat, und daß die Glaske ramik auf Aluminiumsilikatbasis einen Erweichungspunkt in einem Bereich von etwa 630 bis etwa 700°C und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1×10^-6 bis etwa 9×10^-6/°C hat.

3. Verbundkeramikgegenstand nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Glas auf Borsilikatbasis zu einem System gehört, welches aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Bleiborsilikat, Lithiumborsilikat, Kaliumborsilikat, Kalziumborsilikat, Natriumborsilikat, Magnesiumborsilikat, Bariumborsilikat, Aluminiumborsi likat und Kombinationen hiervon besteht.

4. Verbundkeramikgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis zu einem System gehört, wel ches aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Magnesiuma luminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat, Zinkalumini umsilikat, Kalziumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon besteht.

5. Verbundkeramikgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dielek trizitätskonstante bei 1 MHz im Bereich von etwa 2 bis 6, einen Verlustfaktor von weniger als etwa 0,004 und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbe reich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1×10^-6 bis etwa 9×10^-6/°C hat.

6. Verbundkeramikgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner ein elektrisch leitendes Material aufweist, welches in Form eines Überzuges auf einer Oberfläche desselben vorgese hen ist.

7. Verbundkeramikgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mullitblasen einen Durchmesser von bis zu etwa 50 µm haben, und daß sie in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 70 Volumen prozent basierend auf dem Gesamtvolumen des Verbundke ramikgegenstandes vorhanden sind.

8. Ungebrannter Verbundgegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einer Matrix dispergiert sind, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einer Glaspulvermatrix auf Borsilikatbasis, einer Glaspulvermatrix auf Aluminium silikatbasis, einer Glaskeramikpulvermatrix auf Alumi niumsilikatbasis und einer Matrix aus einem Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis und einem Glaskeramikpulver auf Aluminiumsilikatbasis besteht.

9. Ungebrannter Verbundgegenstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine elektrisch leitende Paste aufweist, welche in Form eines Überzuges auf einer Oberfläche desselben vorgesehen ist.

10. Verfahren zum Herstellen eines Verbundgegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
a) Formgebung einer Aufschlämmung, welche ein flüssi ges Medium, ein Plastifizierungsmittel, ein Bin demittel, eine Mehrzahl von Mullitblasen und eine Matrix aufweist, welche aus der Gruppe gewählt ist, die aus Glaspulver auf Borsilikatbasis, Glas pulver auf Aluminiumsilikatbasis, Glaskeramikpul ver auf Aluminiumsilikatbasis, und Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis sowie Glaskeramikpulver auf Aluminiumsilikatbasis besteht;
b) Trocknen der geformten Aufschlämmung,
wobei ein ungebrannter Verbundgegenstand erhalten wird, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einer Matrix dispergiert sind, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einer Glaspulvermatrix auf Bor silikatbasis, einer Glaspulvermatrix auf Aluminiumsili katbasis, einer Glaskeramikpulvermatrix auf Aluminium silikatbasis, und einer Matrix aus einem Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis und einem Glaskeramikpulver auf Aluminiumsilikatbasis besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Brennens des ungebrannten Verbundgegen standes, wobei ein gebrannter Verbundgegenstand erhal ten wird, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen auf weist, welche in einer Matrix dispergiert sind, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einer Glaspulverma trix auf Borsilikatbasis, einer Glaspulvermatrix auf Aluminiumsilikatbasis, einer Glaskeramikpulvermatrix auf Aluminiumsilikatbasis, und einer Matrix aus einem Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis und einem Glaske ramikpulver auf Aluminiumsilikatbasis besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, ferner gekennzeich net durch den Schritt des Sinterns des ungebrannten Verbundgegenstandes, wobei ein Verbundkeramikgegenstand erhalten wird, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einer Matrix dispergiert sind, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus einer Glasmatrix auf Borsilikatbasis und einer Glaskeramikmatrix auf Aluminiumsilikatbasis besteht, wobei der Sinterungs schritt bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 820 bis etwa 950°C durchgeführt wird.