DE60300230T2

DE60300230T2 - Glas-Keramik-Zusammensetzung, Glas-Keramik gesintertes Material und keramisches Mehrschichtsubstrat

Info

Publication number: DE60300230T2
Application number: DE60300230T
Authority: DE
Inventors: Sadaaki Nagaokakyo-shi Sakamoto
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: KR20030091042A; DE60300230D1; EP1364921B1; US6924245B2; JP3988533B2; KR100485736B1; EP1364921A1; US20030220185A1; CN1482097A; JP2003342063A; ATE285386T1; CN1212996C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Glas-Keramik-Zusammensetzung, welche bei etwa 1.000°C oder darunter gebrannt werden kann, ein gesintertes Glas-Keramik-Material, welches durch Brennen derselben hergestellt wird, sowie ein mehrschichtiges Keramiksubstrat unter Verwendung desselben.
2. Beschreibung des Stands der Technik
In den letzten Jahren wurde die Leistung elektronischer Bauteile im Gebiet Elektronik erheblich gesteigert. Insbesondere bei Informationsverarbeitungsgeräten, wie sie Mobilstationen, PCs und dergleichen verkörpern, welche einer informationsorientierten Gesellschaft dienen, ist die Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit weiter gestiegen. Daher hat sich das sogenannte Multichip-Modul (MCM) als elektronisches Bauelement für das Durchführen von Hochgeschwindigkeitsinformationsverarbeitung gewerblich durchgesetzt. Beim MCM sind Halbleiterbauelemente, z. B. LSIs, bei hoher Dichte auf einem mehrschichtigen Keramiksubstrat montiert.
Es ist wünschenswert, dass der spezifische Widerstand eines zwischen LSIs vorgesehenen Leiters bei einem solchen Modul minimiert wird, um schwache Hochgeschwindigkeitssignale zu verarbeiten. Beispiele für Leiter mit niedrigem spezifischen Widerstand umfassen zum Beispiel Silber und Kupfer. Als Material für das Substrat ist ein Material erforderlich, das gleichzeitig mit dem niedrig schmelzenden Material gebrannt werden kann, insbesondere ein Material, welches bei etwa 1.000°C oder weniger gebrannt werden kann, und eine aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehende Glas-Keramik-Zusammensetzung und dergleichen wird verbreitet verwendet.
Es wurden verschiedene zusammengesetzte Mehrschichtsubstrate untersucht, um den Trends hin zu weiterer Miniaturisierung und höheren Frequenzen bezüglich der mehrschichtigen Keramiksubstrate gerecht zu werden. Zum Beispiel wurde in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsschrift Nr. 12-264724 ein mehrschichtiges, laminiertes, elektronisches Keramikbauteil, welches durch Laminieren einer Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und einer Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante hergestellt wurde, vorgeschlagen. Die Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante wurde mit Schaltungen versehen bzw. mit Halbleitern oder dergleichen ausgestattet und die Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante bildet einen Kondensator, Resonator oder dergleichen.
SU-A-427 406 (siehe Darwent Abstract 1975 53543W beschreibt ein dielektrisches Glas-/Keramik-Material, welches Glas, CaBiTiO₃ und CaTiSiO₅ enthält.
Bezüglich des oben erwähnten Mehrschichtsubstrats mit einer Zusammensetzung aus einer Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante und einer Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante muss das Auftreten von Rissen und Verziehen im Substrat während des Brennens reduziert werden, indem die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schichten mit den jeweiligen Dielektrizitätskonstanten gesenkt wird. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung, welche aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas besteht, betrug jedoch etwa 7 bis 8 ppmK^–1, während der Wärmeausdehnungskoeffizient eines herkömmlichen Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante bei etwa 10 ppmK^–1 lag. Daher konnten die oben erwähnten Probleme mit Rissen und Verziehen im Substrat nicht gelöst werden.
Herkömmliche dielektrische Materialien, z. B. TiO₂, SrTiO₃ und CaTiO₃, hatten hohe Dielektrizitätskonstanten und hohe Q-Werte. Die Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten waren jedoch große Minuswerte und daher ließen sich Änderungen der Eigenschaften des keramischen Mehrschichtsubstrats aufgrund von Umgebungstemperaturänderungen nicht vermeiden.
ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Glas-Keramik-Zusammensetzung an die Hand zu geben, welche bei einer niedrigen Temperatur gebrannt werden kann und welche eine hohe Dielektrizitätskonstante, einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen kleinen Tempaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante aufweist, und eine Glas-Keramik an die Hand zu geben.
Eine erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung enthält 5 bis 75 Gewichtsprozent TiO₂, 5 bis 75 Gewichtsprozent CaTiSiO₅ und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glas.
Vorzugsweise enthält die oben erwähnte Glas-Keramik-Zusammensetzung 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO₂, 20 bis 60 Gewichtsprozent CaTiSiO₅ und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glas.
Vorzugsweise enthält die oben erwähnte Glas-Keramik-Zusammensetzung weiterhin mindestens eines von Ta₂O₅ und Nb₂O₅ als sekundären Bestandteil.
Noch bevorzugter enthält die oben erwähnte Glas-Keramik-Zusammensetzung den sekundären Bestandteil bestehend aus mindestens einem von Ta₂O₅ und Nb₂O₅ bei einem Anteil von vier Gewichtsteilen oder weniger auf 100 Gewichtsteile der primären Bestandteile bestehend aus TiO₂, CaTiSiO₅ und Glas.
Vorzugsweise enthält das in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas SiO₂, B₂O₃ und ZnO.
Noch bevorzugter enthält das in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent SiO₂, 5 bis 60 Gewichtsprozent B₂O₃ und 5 bis 65 Gewichtsprozent ZnO.
Vorzugsweise enthält das in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas weiterhin ein Erdalkalioxid.
Noch bevorzugter enthält das in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent SiO₂, 5 bis 60 Gewichtsprozent B₂O₃, 5 bis 65 Gewichtsprozent ZnO und 5 bis 50 Gewichtsprozent Erdalkalimetalloxid.
In einem erfindungsgemäßen gesinterten Glas-Keramik-Material werden TiO₂-Kristalle und CaTiSiO₅-Kristalle abgeschieden. Weiterhin wird das erfindungsgemäße gesinterte Glas-Keramik-Material durch Brennen einer Glas-Keramik-Zusammensetzung erzeugt, welche 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO₂, 20 bis 60 Gewichtsprozent CaTiSiO₅ und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glas enthält, und es werden TiO₂-Kristalle und CaTiSiO₅-Kristalle in dem gesinterten Glas-Keramik-Material abgeschieden.
Ein erfindungsgemäßes keramisches Mehrschichtsubstrat besteht aus einem Laminat aus einer ersten Keramikschicht, welche aus dem oben erwähnten gesinterten Glas-Keramik-Material hergestellt wird, und einer zweiten Keramikschicht mit einer Dielektrizitätskonstante unter der der ersten Keramikschicht.
Die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung kann bei einer niedrigen Temperatur gebrannt werden und weist eine hohe Dielektrizitätskonstante, einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante auf.
Daher werden die folgenden Wirkungen erzielt, wenn eine Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante eines zusammengesetzten Mehrschichtsubstrat, bei welchem eine Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und eine Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante laminiert werden, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Glas-Keramik-Zusammensetzung erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung kann bei niedriger Temperatur gebrannt werden und kann daher gleichzeitig mit einem Leiter aus Metall, z. B. Silber und Kupfer, mit niedrigem spezifischen Widerstand gebrannt werden.
Da die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, kann bezüglich der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante ein Kondensator mit großer Kapazität gebildet werden.
Die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung weist einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher dem Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Glas-Keramik-Zusammensetzung nahe kommt, die aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas besteht. Daher kann das Auftreten von Rissen und Verziehen im Substrat während des Brennens verzögert werden, selbst wenn eine Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante aus der aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden Glas-Keramik-Zusammensetzung hergestellt wird, welche eine ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaft aufweist.
Da die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante aufweist, kann ein Kondensator mit stabilen Eigenschaften bezüglich Änderungen der Umgebungstemperatur gebildet werden.
Die erfindungsgemäße Glas-Keramik weist eine hohe Dielektrizitätskonstante, einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante ähnlich wie bei der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung auf. Daher werden ähnliche Wirkungen wie oben beschrieben erzielt, wenn eine Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante eines zusammengesetzten Mehrschichtsubstrats aus dieser Glas-Keramik hergestellt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen keramischen Mehrschichtsubstrats.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
Eine erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung enthält 5 bis 75 Gewichtsprozent TiO₂, 5 bis 75 Gewichtsprozent CaTiSiO₅ und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glas. Vorzugsweise liegen das oben erwähnte TiO₂, das oben erwähnte CaTiSiO₅ und das oben erwähnte Glas allesamt in pulvriger Form vor. D. h. die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung kann 5 bis 75 Gewichtsprozent TiO₂-Pulver, 5 bis 75 Gewichtsprozent CaTiSiO₅-Pulver und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glaspulver enthalten. Hier befindet sich das Glaspulver in einem amorphen Zustand. Jedoch ist vorzugsweise sowohl das TiO₂-Pulver als auch das CaTiSiO₅-Pulver ein Keramikpulver (d. h. polykristalline Partikel).
Die oben erwähnte Glas-Keramik Zusammensetzung enthält das Glas und kann daher insbesondere bei einer niedrigen Temperatur von etwa 1.000°C oder weniger gebrannt werden. Da die oben erwähnte Glas-Keramik-Zusammensetzung TiO₂ mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 120 und CaTiSiO₅ mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 45 enthält, kann ein gesintertes Glas-Keramik-Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante erzeugt werden.
Der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante von TiO₂ weist einen großen Minuswert (etwa –900 ppmK^–1) auf, während der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante von CaTiSiO₅ einen großen Pluswert (etwa +1.500 ppmK^–1) aufweist. Daher weist das sich ergebende gesinterte Glas-Keramik-Material einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante auf, da sich die oben erwähnten Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten gegenseitig aufheben.
Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von CaTiSiO₅ bei etwa 6 ppmK^–1 liegt, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials nahe an den Wärmeausdehnungskoeffizienten (etwa 7 bis 8 ppmK^–1) des gesinterten Glas-Keramik-Materials gebracht werden, das sich aus dem Brennen der zum Beispiel aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden Glas-Keramik-Zusammensetzung ergibt.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesinterten Glas-Keramik-Materials wird zu klein, wenn der Anteil an TiO₂ unter 5 Gewichtsprozent liegt. Daher können bei Verwendung des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, bei Verwendung des aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und bei Kombination der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante und der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, gefolgt von Brennen, Risse in dem sich ergebenden gesinterten Material auftreten.
Dagegen wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des gesinterten Glas-Keramik-Materials zu groß, wenn der Anteil an TiO₂ 75 Gewichtsprozent übersteigt. Daher können bei Verwendung dieses gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, bei Verwendung des aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und bei Kombination der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante und der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, gefolgt von Brennen, Risse in dem sich ergebenden gesinterten Material auftreten.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials wird zu groß, wenn der Anteil an CaTiSiO₅ unter 5 Gewichtsprozent fällt. Daher können bei Verwendung dieses gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, bei Verwendung des aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und bei Kombination der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante und der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, gefolgt von Brennen, Risse in dem sich ergebenden gesinterten Material auftreten.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials wird dagegen zu klein, wenn der Anteil an CaTiSiO₅ 75 Gewichtsprozent übersteigt. Daher können bei Verwendung dieses gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, bei Verwendung des aus Aluminiumoxid und Borosilikatglas bestehenden gesinterten Glas-Keramik-Materials als Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und bei Kombination der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante und der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, gefolgt von Brennen, Risse in dem sich ergebenden gesinterten Material auftreten.
Wenn der Anteil an Glas unter 15 Gewichtsprozent fällt, kann die Sinterfähigkeit der Glas-Keramik-Zusammensetzung bei etwa 1.000°C oder darunter reduziert sein. Wenn dagegen der Anteil an Glas 50 Gewichtsprozent übersteigt, kann die Dielektrizitätskonstante des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert sein.
Vorzugsweise enthält die oben erwähnte Glas-Keramik-Zusammensetzung 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO₂. Wenn der Anteil an TiO₂ unter 20 Gewichtsprozent fällt, wird der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials ein zu hoher Pluswert. Wenn dagegen der Anteil an TiO₂ 60 Gewichtsprozent übersteigt, kann der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des gesinterten Glas-Keramik-Materials ein zu großer Minuswert werden.
Die oben erwähnte Glas-Keramik-Zusammensetzung enthält vorzugsweise 20 bis 60 Gewichtsprozent CaTiSiO₅. Wenn der Anteil an CaTiSiO₅ unter 20 Gewichtsprozent fällt, wird der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials ein zu hoher Minuswert. Wenn dagegen der Anteil an CaTiSiO₅ 60 Gewichtsprozent übersteigt, kann der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des gesinterten Glas-Keramik-Materials ein zu großer Pluswert werden.
Vorzugsweise enthält die oben erwähnte Glas-Keramik-Zusammensetzung weiterhin mindestens eines von Ta₂O₅ und Nb₂O₅ als sekundären Bestandteil. Bei Vorhandensein dieser sekundären Bestandteile kann der absolute Wert des Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials gesenkt werden. Man glaubt, dass der Grund hierfür darin liegt, dass ein Teil von Ta₂O₅ oder Nb₂O₅ in eine feste Lösung mit den primären Bestandteilen diffundiert oder diese bildet, so dass er einen gewissen Einfluss auf den Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante des gesamten gesinterten Glas-Keramik-Materials während des Brennens ausübt.
Insbesondere ist bevorzugt, dass die oben erwähnte Glas-Keramik-Zusammensetzung die oben erwähnten sekundären Bestandteile bei einem Anteil von vier Gewichtsteilen oder weniger auf 100 Gewichtsteile der primären Bestandteile bestehend aus TiO₂, CaTiSiO₅ und Glas enthält. In diesem Fall kann der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante auf einen kleinen Wert angepasst werden, mit praktisch keiner Senkung der Dielektrizitätskonstante des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials. Die Dielektrizitätskonstante des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials kann aber kleiner werden, wenn der Anteil der sekundären Bestandteile etwa 4 Gewichtsteile übersteigt.
Als in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltenes Glas kann ein Glas auf der Basis von SiO₂-B₂O₃ und dergleichen verwendet werden. Vor allem wird vorzugsweise Glas auf der Basis von SiO₂-B₂O₃-ZnO mit einem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet.
Noch bevorzugter enthält das in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent SiO₂. Wenn der Anteil an SiO₂ unter 5 Gewichtsprozent fällt, kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert sein. Wenn dagegen der Anteil an SiO₂ 50 Gewichtsprozent übersteigt, kann die Schmelztemperatur des Glases erhöht sein und daher kann es schwierig werden, das Glas zu erzeugen.
Das in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas enthält vorzugsweise 5 bis 60 Gewichtsprozent B₂O₃. Wenn der Anteil an B₂O₃ unter 5 Gewichtsprozent fällt, kann die Sinterfähigkeit der Glas-Keramik-Zusammensetzung bei etwa 1.000°C oder darunter reduziert sein. Wenn dagegen der Anteil an B₂O₃ 60 Gewichtsprozent übersteigt, kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert sein.
Vorzugsweise enthält das in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas 5 bis 65 Gewichtsprozent ZnO. Wenn der Anteil an ZnO unter 5 Gewichtsprozent fällt, wird die Wirkung der Senkung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials nicht ausreichend erzielt. Wenn dagegen der Anteil an ZnO 65 Gewichtsprozent übersteigt, kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert sein.
Vorzugsweise enthält das in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas weiterhin ein Erdalkalimetalloxid. Da das Erdalkalimetalloxid, z. B. MgO, CaO und SrO, einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des sich ergebenden gesinterten Glaskeramikmaterials reduziert sein.
Vorzugsweise enthält das in der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung enthaltene Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent Erdalkalimetalloxid. Wenn der Anteil an Erdalkalimetalloxid unter 5 Gewichtsprozent fällt, wird die Wirkung der Senkung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des sich ergebenden gesinterten Glas-Keramik-Materials nicht ausreichend erzielt. Wenn dagegen der Anteil des Erdalkalimetalloxids 50 Gewichtsprozent übersteigt, kann die Feuchtigkeitsbeständigkeit des gesinterten Glas-Keramik-Materials verringert sein.
In einem erfindungsgemäßen gesinterten Glas-Keramik-Material werden TiO₂-Kristalle, CaTiSiO₅-Kristalle und Glaskristalle abgeschieden. Diese Glas-Keramik kann zum Beispiel durch Brennen der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung erzeugt werden. Diese Glas-Keramik weist eine hohe Dielektrizitätskonstante, einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante ähnlich wie bei der oben erwähnten Glas-Keramik-Zusammensetzung auf.
Die erfindungsgemäße Glas-Keramik-Zusammensetzung kann ein bekanntes Lösungsmittel, Bindemittel und dergleichen enthalten. Es können zum Beispiel etwa 1 bis 30 Gewichtsteile Lösungsmittel auf 100 Gewichtsteile der Glas-Keramik-Zusammensetzung zugegeben werden und etwa 3 bis 30 Gewichtsteile Bindemittel können auf 100 Gewichtsteile der Glas-Keramik-Zusammensetzung zugegeben werden.
Unter Bezug auf 1 wird ein erfindungsgemäßes mehrschichtiges Keramiksubstrat beschrieben.
1 ist eine schematische Schnittansicht, welche ein Beispiel eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen Keramiksubstrats zeigt. Ein mehrschichtiges Keramiksubstrat 10 besteht aus einem Laminat aus ersten Keramikschichten 11 und zweiten Keramikschichten 12. Leiter 13 sind an der Hauptfläche des mehrschichtigen Keramiksubstrats 10 und zwischen den Keramikschichten vorgesehen. Kontaktloch-Leiter 14 für das dreidimensionale Verbinden der Leiter 13 sind in jeder Keramikschicht vorgesehen. Ein Kondensator C ist aus den Leitern 13 konstruiert, welche einander mit der ersten Keramikschicht dazwischen zugewandt sind.
Die erste Keramikschicht 11 wird durch Brennen einer Glas-Keramik-Zusammensetzung erzeugt, welche 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO₂, 20 bis 60 Gewichtsprozent CaTiSiO₅ und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glas enthält und aus einem gesinterten Glas-Keramik-Material besteht, in welchem TiO₂-Kristalle und CaTiSiO₅-Kristalle abgeschieden sind. Dieses gesinterte Glas-Keramik-Material enthält TiO₂-Kristalle und besitzt daher eine hohe Dielektrizitätskonstante. Daher kann bezüglich der ersten Keramikschicht 11 ein Kondensator mit einer hohen Dielektrizitätskonstante gebildet werden. Da diese Glas-Keramik einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante aufweist, können Schwankungen der Eigenschaften des Kondensators C aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur reduziert werden. Da dieses gesinterte Glas-Keramik-Material CaTiSiO₅-Kristalle enthält, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient relativ klein und liegt in der Größenordnung von 6,5 bis 8,5 ppmK^–1.
Die zweite Keramikschicht 12 besteht aus einem gesinterten Glas-Keramik-Material, welches Aluminiumoxid und Borosilikatglas enthält. Da dieses gesinterte Glas-Keramik-Material eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist, liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient dieses gesinterten Glas-Keramik-Materials bei etwa 7 bis 8 ppmK^–1 und daher können Signale ohne Verzögerung in dem Leiter 13 und dem Kontaktloch-Leiter 14, welche in der zweiten Keramikschicht 12 vorgesehen sind, übertragen werden. Auf diese Weise ist eine auf die erste erfindungsgemäße Keramikschicht 11 ausgezeichnet abgestimmte zweite Keramikschicht 12 ein gesintertes Glas-Keramik-Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahezu gleich dem der ersten Keramikschicht 11, d. h. der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt in der Größenordnung von 6,5 bis 8,5 ppmK^–1.
Das die erste Keramikschicht 11 bildende gesinterte Glas-Keramik-Material und das die zweite Keramikschicht 12 bildende gesinterte Glas-Keramik-Material weisen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, die einander nahe kommen. Daher kann das Auftreten von Rissen und Verziehen in dem Substrat aufgrund der Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Keramikschichten während des Brennschritts im Herstellungsvorgang des mehrschichtigen Keramiksubstrats 10 verzögert oder verhindert werden.
Das mehrschichtige Keramiksubstrat 10 wird zum Beispiel durch folgendes Verfahren hergestellt. Ein Glaspulver auf SiO₂-B₂O₃-ZnO-Basis, ein TiO₂-Pulver und ein CaTiSiO₅-Pulver werden erzeugt und diese werden bei einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis gemischt. Entsprechende Mengen an Lösungsmittel, Bindemittel und Plastifizierungsmittel werden zu dem sich ergebenden Mischpulver zugegeben, gefolgt von Kneten, um einen Schlicker herzustellen. Der sich ergebende Schlicker wird mittels des Rakelverfahrens zu einer Folie geformt und daher wird eine erste Grünfolie, welche durch Brennen zur ersten Keramikschicht 11 wird, erzeugt.
Ein Glaspulver auf SiO₂-B₂O₃-Basis und ein Al₂O₃-Pulver werden erzeugt und diese werden bei einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis gemischt. Entsprechende Mengen an Lösungsmittel, Bindemittel und Plastifizierungsmittel werden zu dem sich ergebenden Mischpulver zugegeben, gefolgt von Kneten, um einen Schlicker herzustellen. Der sich ergebende Schlicker wird mittels des Rakelverfahrens zu einer Folie geformt und daher wird eine zweite Grünfolie, welche durch Brennen zur zweiten Keramikschicht 12 wird, erzeugt.
Eine aus einem leitenden Pulver, z. B. einem Cu-Pulver oder einem Ag-Pulver, und einer geeigneten Menge Bindemittel, Glaspulver und Dispergiermittel bestehende Leiterpaste wird erzeugt. Die sich ergebende Leiterpaste wird auf die ersten und zweiten Grünfolien durch Siebdruck aufgedruckt. Kontaktlöcher werden in den ersten und zweiten Grünfolien gebildet und diese Kontaktlöcher werden mit der oben erwähnten Leiterpaste gefüllt.
Die ersten Grünfolien und die zweiten Grünfolien werden laminiert und daher wird ein mit Leitern und Kontaktloch-Leitern versehenes Keramiklaminat erzeugt. Anschließend wird das Keramiklaminat mit einer Pressmaschine pressverbunden und das sich ergebende Keramiklaminat wird in einer oxidierenden Atmosphäre, z. B. in Luft, bei 780°C bis 1.000°C, vorzugsweise bei etwa 900°C, gebrannt. Auf diese Weise wird das in 1 gezeigte mehrschichtige Keramiksubstrat 10 hergestellt.
Beispiele
Die Glas-Keramik-Zusammensetzung und das gesinterte Glas-Keramik-Material der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die Beispiele beschrieben.
Jedes der Oxidpulver SiO₂, B₂O₃, ZnO, MgO, CaO, SrO, BaO, Li₂O, Na₂O, K₂O, ZrO₂ und Al₂O₃ wurde erzeugt. Jedes der Oxidpulver wurde gemäß dem in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungsverhältnis abgewogen, gefolgt von Mischen. Das sich ergebende Gemisch wurde in einen Platintiegel gegeben und bei 1.100°C bis 1.500°C 30 Minuten lang geschmolzen. Das sich ergebende geschmolzene Material ließ man auf eine Abschreckwalze fließen, um Bruchglas zu erzeugen. Das sich ergebende Bruchglas wurde grob pulverisiert. Es wurde Ethanol zugegeben und anschließend wurde in einer Kugelmühle mit Aluminiumoxidkugeln von 1 bis 10 mm Durchmesser ein Pulverisieren durchgeführt, so dass die Proben G1 bis G24 der Glaspulver mit Mittenpartikeldurchmessern von etwa 1 μm erzeugt wurden. Pro Probe wurde ein Teil des abgeschreckten Bruchglases für langsames Abkühlen von 500°C auf Raumtemperatur in einen Kühlofen gegeben, um mechanische Spannungen ausreichend aufzuheben, und wurde in ein Prisma von 3 mm × 15 mm × 1 mm geschnitten. Der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient α (ppmK^–1) in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 500°C wurde mit einem Dilatometer gemessen. Die Ergebnisse desselben werden in Tabelle 1 gezeigt.
Jedes der CaO-, TiO₂- und SiO₂-Oxidpulver wurde erzeugt und diese wurden bei einem Molverhältnis von 1 : 1 : 1 gemischt, gefolgt von Kalzinieren bei 1.250°C über eine Stunde lang. Das sich ergebende kalzinierte Material wurde grob pulverisiert. Es wurde Ethanol zugegeben und anschließend wurde in einer Kugelmühle mit Aluminiumoxidkugeln von 1 bis 10 mm Durchmesser ein Pulverisieren durchgeführt, so dass ein CaTiSiO₅-Pulver erzeugt wurde.
Neben dem oben erwähnten CaTiSiO₅-Pulver wurde jedes der TiO₂-, CaTiO₃-, SrTiO₂-, Ta₂O₅-, Nb₂O₅- und Al₂O₃-Oxidpulver und die oben erwähnten Glaspulver G1 bis G24 erzeugt. Diese wurden gemäß den in der folgenden Tabelle 2 bis Tabelle 5 gezeigten Gewichtsverhältnissen abgewogen, gefolgt von Mischen, so dass die Proben S1 bis S78 erzeugt wurden. Entsprechende Mengen an Lösungsmittel, Bindemittel und Plastifizierungsmittel wurden zu jeder sich ergebenden Probe zugegeben, gefolgt von Kneten, um einen Schlicker herzustellen. Der sich ergebende Schlicker wird mittels des Rakelverfahrens zu einer Grünfolie mit 50 μm Stärke geformt.
Auf die Grünfolie wurde mittels Siebdruck eine Ag-Paste gedruckt und die sich ergebende Grünfolie wurde in die Form eines Quadrats von 10 mm × 10 mm Größe zugeschnitten. Es wurden zehn Folien der sich ergebenden quadratischen Grünfolien laminiert und mit einer Pressmaschine pressverbunden, gefolgt von Brennen in Luft bei 900°C über einen Zeitraum von 20 Minuten. Aus Ag bestehende Außenelektroden wurden auf beide Endflächen des sich ergebenden gesinterten Materials eingebrannt und dadurch wurde ein monolithischer Kondensator erzeugt. Anschließend wurde die relative Dielektrizitätskonstante ϵr des monolithischen Kondensators bei 1 MHz mit einem LCR-Meter gemessen. Der monolithische Kondensator wurde in ein Bad konstanter Temperatur gegeben und der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante TCC (ppmK^–1) wurde in einem Temperaturbereich von –55°C bis 125°C mit dem LCR-Meter gemessen. Die Ergebnisse desselben werden in Tabelle 2 bis Tabelle 5 gezeigt.
Weiterhin wurden die oben erwähnten Grünfolien von 50 μm Stärke, welche die jeweiligen Proben enthielten, in Form eines Quadrats von 30 mm × 30 mm zugeschnitten. Vierzig Folien der sich ergebenden quadratischen Grünfolien wurden laminiert und mit einer Pressmaschine pressverbunden, gefolgt von Brennen in Luft bei 900°C. Das sich ergebende gesinterte Material wurde zu einem Prisma von 3 mm × 15 mm × 1 mm zugeschnitten. Der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient α (ppmK^–1) wurde in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu 500°C mit einem Dilatometer gemessen. Die Ergebnisse desselben werden in Tabelle 2 bis Tabelle 5 gezeigt.
Die oben erwähnten Prismen wurden pulverisiert, um ein Glas-Keramik-Pulver herzustellen. Dieses Glas-Keramik-Pulver wurde mittels XRD (Röntgenbeugungsanalyse) analysiert. Als Ergebnis wurde ein Abscheiden von Kristallen von jeweils TiO₂ und CaTiSiO₅ in jedem der Glas-Keramik-Pulver mit Ausnahme der Proben S1 und S14 festgestellt.
Weiterhin wurden die oben erwähnten Grünfolien mit 50 μm Stärke, welche die jeweiligen Proben enthielten, in Form eines Quadrats von 100 mm × 100 mm zugeschnitten. Eine die Probe 78 enthaltende Grünfolie wurde auf jede der Grünfolien, die jeweils die Proben S1 bis S77 enthielten, laminiert und es wurden weiterhin 9 Folien der Grünfolie, welche Probe S78 enthielt, darunter laminiert. Mit einer Pressmaschine wurde Pressverbinden durchgeführt und dadurch wurde ein Laminat erzeugt. Das sich ergebende Laminat wurde in Luft bei 900°C gebrannt. Das sich ergebende gesinterte Glas-Keramik-Material wurde bezüglich des Auftretens von Rissen und Verziehen beobachtet. Die Ergebnisse desselben werden ebenfalls in Tabelle 2 bis Tabelle 5 gezeigt.
Eine in den folgenden Tabellen mit Sternchen versehene Probe liegt außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
Wie aus den Beurteilungsergebnissen der Proben S75 bis S77 hervorgeht, welche in Tabelle 5 gezeigt werden, weisen die durch Brennen herkömmlicher Glas-Keramik-Zusammensetzungen erzeugten gesinterten Glas-Keramik-Materialien große Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante auf. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Proben erheblich größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Probe S78 sind, kommt es bei Laminieren jeder der diese Proben enthaltenden Grünfolien und einer die Probe S78 enthaltenden Grünfolie gefolgt von Brennen zu Rissen in dem gesinterten Glas-Keramik-Material.
Aus den Beurteilungsergebnissen der Proben S2 bis S13, S15 bis S20, S22 bis S44 und S46 bis S74, welche in Tabelle 2 und Tabelle 3 gezeigt werden, ist dagegen ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Glas-Keramiken kleine Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante aufweisen. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Proben nahe dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Probe S78 liegen, kann bei Laminieren jeder der diese Proben enthaltenden Grünfolien und einer die Probe S78 enthaltenden Grünfolie gefolgt von Brennen ein Verziehen in der Glas-Keramik reduziert werden.
Der TiO₂-Gehalt der Probe S1 überstieg 75 Gew.-% (bzw. der Gehalt an CaTiSiO₅ lag unter 5 Gew.-%). Als eine die Probe S1 enthaltende Grünfolie zusammen mit einer die Probe S78 enthaltenden Grünfolie gebrannt wurde, kam es zu Rissbildung in der Glas-Keramik. Der TiO₂-Gehalt der Probe S14 lag dagegen unter 5 Gew.-% (bzw. der Gehalt an CaTiSiO₅ überstieg 75 Gew.-%). Als eine die Probe S14 enthaltende Grünfolie zusammen mit einer die Probe S78 enthaltenden Grünfolie gebrannt wurde, kam es zu Rissbildung in der Glas-Keramik.
Zwar kam der Wärmeausdehnungskoeffizient der Probe S14 dem der Probe S78 näher als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Probe S1, doch kam es in der die Probe S14 enthaltenden Glas-Keramik zu Rissbildung. Der Grund hierfür lag darin, dass bei Halten einer Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante zwischen Schichten mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten auf beiden Seiten, wie im vorliegenden Beispiel, und bei einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante als bei der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante auf die Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante eine Schrumpfkraft in Richtung der Ebene ausgeübt wird. Wenn dagegen der Wärmeausdehnungskoeffizient der Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante kleiner als der der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante ist, wird auf die Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante eine Zugkraft in Richtung der Ebene ausgeübt. Im Allgemeinen weist die Keramik die Festigkeitseigenschaften auf, dass gegenüber einer Schrumpfkraft ein großer Widerstand und gegenüber einer Zugkraft ein geringer Widerstand aufgebracht wird. Daher kommt es in Probe S14 zu Rissen.
Die Probe S21 wurde nicht gesintert, da der Anteil an Glas unter 15 Gew.-% lag. Die Dielektrizitätskonstante der Probe S45 dagegen wurde zu niedrig, da der Anteil an Glas 50 Gew.-% überstieg.
Wie aus Vergleichen der Proben S4 und S5 ersichtlich ist, wird der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des gesinterten Glas-Keramik-Materials ein zu hoher Minuswert, wenn der TiO₂-Anteil 60 Gew.-% übersteigt (oder der Anteil an CaTiSiO₅ unter 20 Gew.-% fällt). Wie dagegen aus Vergleichen der Proben S10 und S11 hervorgeht, wird der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des gesinterten Glas-Keramik-Materials ein zu hoher Pluswert, wenn der TiO₂-Anteil unter 20 Gew.-% fällt (oder der Anteil an CaTiSiO₅ 60 Gew.-% übersteigt).
Vergleiche der Proben S9 und S10 zeigen, dass bei Vorhandensein von Ta₂O₅ der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des gesinterten Glas-Keramik-Materials kleiner wird. Analog geht aus Vergleichen der Proben S9 und S11 hervor, dass der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante des gesinterten Glas-Keramik-Materials kleiner wird, wenn Nb₂O₅ vorhanden ist.
Wie aus Vergleichen der Proben S26 bis S32 ersichtlich ist, wird die Dielektrizitätskonstante des gesinterten Glas-Keramik-Materials gesenkt, wenn der Ta₂O₅-Anteil 4 Gewichtsteile auf 100 Gewichtsteile der primären Bestandteile übersteigt. Wie analog aus Vergleichen der Proben S33 bis S39 hervorgeht, wird die Dielektrizitätskonstante des gesinterten Glas-Keramik-Materials gesenkt, wenn der Nb₂O₅-Anteil 4 Gewichtsteile auf 100 Gewichtsteile der primären Bestandteile übersteigt.
Vergleiche der Probe S15 und der Probe S25 zeigen, dass das gesinterte Glas-Keramik-Material, welches Probe S25 unter Verwendung des ZnO-haltigen Glaspulvers G4 enthält, einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.

Claims

Glas-Keramik-Zusammensetzung mit einem primären Bestandteil, welcher 5 bis 75 Gewichtsprozent TiO₂, 5 bis 75 Gewichtsprozent CaTiSiO₅ und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glas enthält.
Glas-Keramik-Zusammensetzung nach Anspruch 1, welche 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO₂, 20 bis 60 Gewichtsprozent CaTiSiO₅ und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glas enthält.
Glas-Keramik-Zusammensetzung nach Anspruch 1, welche weiterhin einen sekundären Bestandteil umfasst, welcher mindestens eines von Ta₂O₅ und Nb₂O₅ enthält.
Glas-Keramik-Zusammensetzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Bestandteil vier Gewichtsteile oder weniger auf 100 Gewichtsteile des primären Bestandteils ausmacht.
Glas-Keramik-Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas SiO₂, B₂O₃ und ZnO enthält.
Glas-Keramik-Zusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent SiO₂, 5 bis 60 Gewichtsprozent B₂O₃ und 5 bis 65 Gewichtsprozent ZnO enthält.
Glas-Keramik-Zusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas weiterhin ein Erdalkalimetalloxid enthält.
Glas-Keramik-Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas 5 bis 50 Gewichtsprozent SiO₂, 5 bis 60 Gewichtsprozent B₂O₃, 5 bis 65 Gewichtsprozent ZnO und 5 bis 50 Gewichtsprozent Erdalkalimetalloxid enthält.
Gesintertes Glas-Keramik-Material, in welchem TiO₂-Kristalle und CaTiSiO₅-Kristalle enthalten sind.
Gesintertes Glas-Keramik-Material, welches durch Brennen einer Glas-Keramik-Zusammensetzung erzeugt wird, welche 20 bis 60 Gewichtsprozent TiO₂, 20 bis 60 Gewichtsprozent CaTiSiO₅ und 15 bis 50 Gewichtsprozent Glas enthält und in welcher TiO₂-Kristalle und CaTiSiO₅-Kristalle enthalten sind.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat, welches ein Laminat aus einer ersten Keramikschicht des gesinterten Glas-Keramik-Materials nach Anspruch 10 und einer zweiten Keramikschicht mit einer Dielektrizitätskonstante unter der der ersten Keramikschicht umfasst.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat nach Anspruch 11, welches weiterhin in dem Substrat Leiter umfasst.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter einander mit einer ersten Keramikschicht dazwischen zugewandt sind, so dass sie einen Kondensator bilden.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat, welches ein Laminat aus einer ersten Keramikschicht des gesinterten Glas-Keramik-Materials nach Anspruch 9 und einer zweiten Keramikschicht mit einer Dielektrizitätskonstante unter der der ersten Keramikschicht umfasst.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat nach Anspruch 14, welches weiterhin in dem Substrat Leiter umfasst.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter einander mit einer ersten Keramikschicht dazwischen zugewandt sind, so dass sie einen Kondensator bilden.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Keramikschicht Aluminiumoxid und Borosilikatglas enthält.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere erste Keramikschichten zwischen zweiten Keramikschichten sandwichartig angeordnet sind und die Leiter Kupfer oder Silber enthalten.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Keramikschicht Aluminiumoxid und Borosilikatglas enthält.
Mehrschichtiges Keramiksubstrat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere erste Keramikschichten zwischen zweiten Keramikschichten sandwichartig angeordnet sind und das Substrat weiterhin mindestens einen Leiter umfasst, welcher Kupfer oder Silber enthält.