DE69016096T2 - Substrat, verwendbar bei der Herstellung einer Dickschichtschaltung. - Google Patents

Substrat, verwendbar bei der Herstellung einer Dickschichtschaltung.

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Description

    ALLGEMEINES ZUR ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Isoliersubstrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und insbesondere auf ein Isoliersubstrat, das zur Herstellung einer Dickfilmschaltung mit hoher Integrationsdichte geeignet ist.
    • STAND DER TECHNIK
  • Zur Herstellung von Dickfilmschaltungen, beispielsweise integrierten Hybridschaltungen, werden unterschiedliche Isoliersubstrate verwendet, die eine große Wärmeabstrahlfähigkeit aufweisen müssen, um der steigenden Zahl von Bauelementen auf einem einzigen Träger gerecht zu werden. Als wesentlicher Bestandteil des Isoliersubstrats wurde ein Substrat aus Aluminiumnitrid vorgeschlagen, weil Aluminiumnitrid eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumoxid besitz das weitverbreitet ist, doch stieß man beidem Isoliersubstrat aus Aluminiumnitrid auf verschiedene Nachteile.
  • Und zwar besitzt Aluminiumnitrid gegenüber dem Schaltungsmuster einer Dickfilmschaltung eine geringere Haftkraft, und aus diesem Grund löst sich das Schaltungsmuster leicht von dem Isoliersubstrat ab. Zur Lösung des mit dem Substrat aus Aluminiumnitrid verbundenen Problems wurden verschiedene Oberflächenschichten vorgeschlagen. Zunächst beschreibt die japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 62-288847 den Aufbau eines Isoliersubstrats mit einer Oberflächenschicht aus Siliziumdioxid. Das Isoliersubstrat besteht aus einer Grundschicht als Aluminiumnitrid, die in einem Sintervorgang hergestellt wird, sowie aus dem auf der Hauptfläche der Grundschicht vorgesehenen Oberflächenfilm aus Siliziumdioxid. Der Oberflächenfilm wird unter Einsatz einer Sputtertechnik, einer Sol-Gel-Technik oder einer lichtunterstützten chemischen Bedampfungstechnik gebildet. Auf das so hergestellte Isoliersubstrat werden eine leitfähige Paste und eine Abdeckpaste aufgedruckt, die zur Bildung von leitfähigen Schichten und Abdeckfilmen gebrannt werden, woraufhin die Arbeitsschritte des Bedruckens und Brennens wiederholt werden, um leitfähige und Widerstands-Streifen zu bilden, die zusammen ein Schaltungsmuster bilden. Auf dem Schaltungsmuster werden dann Halbleiterchips und diskrete Bauelemente angeordnet, woraufhin die Dickfilmschaltung fertiggestellt und in einer elektronischen Anlage eingebaut wird. Die auf der Grundschicht aus Aluminiumnitrid somit vorgesehene Oberflächenschicht aus Siliziumdioxid ist jedoch beider Verhinderung der Ablösung des Schaltungsmusters weniger wirksam.
  • In der US-PS 4,659,611 wird eine andere Oberflächenschicht beschrieben. Die in dieser US-PS offenbarte Oberflächenschicht besteht aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) und überzieht eine Grundschicht aus Aluminiumnitrid. Die Oberflächenschicht wird beispielsweise durch eine Oxidierphase der Grundschicht gebildet. Jedoch bietet die Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid kaum eine klare Lösung für den genannten Nachteil, und das Schaltungsmuster neigt zur Ablösung vom Isoliersubstrat.
  • Die Anmelder beider vorliegenden Anmeldung haben sich mit diesen Nachteilen befaßt und insbesondere die Gründe untersucht, aus denen diese Oberflächenschichten nicht in der Lage waren, die Haftkraft zwischen der Grundschicht aus Aluminiumnitrid und dem Schaltungsmuster ausreichend zu verbessern. Diese Untersuchung führte zu den japanischen Patentanmeldungen Nr. 63-21579, 63- 21580 und 63-24628, die die Grundlage für die US-Patentanmeldung mit der Serial No. 07/304,460 bildeten. Insbesondere entdeckten die Anmelder, daß Siliziumoxid die Viskosität der in der Paste enthaltenen geschmolzenen Glasfritten verbesserte, wenn viskose Siliziumatome zugeführt wurden, daß jedoch das Siliziumoxid von den Glasfritten, die mit Aluminiumnitrid bei hohen Temperaturen wie beispielsweise in der Brennphase reagieren, verbraucht wird. Infolge der chemischen Reaktion zwischen dem Aluminiumnitrid und den Glasfritten wurden unerwünschte Gase wie Stickstoffgas (N&sub2;) oder Stickoxid (NO&sub2;) erzeugt, und diese unerwünschten Gase bildeten dabeizwischen der Grundschicht aus Aluminiumnitrid und dem Schaltungsmuster Gasblasen. Diese Gasblasen waren die Ursache nicht nur für die Ablösung sondern auch für die schlechte Wärmeabstrahlung. Ist die Oberflächenschicht dick genug, damit sie auf der Grundschicht aus Aluminiumnitrid bleibt, so ist die Wärmeabstrahlfähigkeit des Isoliersubstrats so gering, daß sich eine Hybridschaltung mit hoher Integrationsdichte kaum darauf herstellen läßt, weil das Siliziumdioxid eine so geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumdioxid beträgt tatsächlich rund 0,004 cal/sec cm ºC während die von Aluminiumnitrid immerhin 0,617 cal/sec cm ºC beträgt,
  • Andererseits war das Aluminiumoxid so porös, daß die geschmolzenen Glasfritten leicht durch das poröse Aluminiumoxid hindurch eindringen konnten. Die Porosität beträgt tatsächlich 0,5 % bis 15 %. Die auf diese Weise mit dem Aluminiumnitrid in Berührung gebrachten Glasfritten reagierten mit diesem und erzeugten somit die schäumbaren Gase. Dies führte zu einer verringerten Haftkraft zwischen dem Oberflächenfilm und dem Schaltungsmuster. In der älteren US-Patentanmeldung wird nun ein mehrschichtiger Aufbau für die Oberflächenschicht vorgeschlagen, die auf eine Verbesserung der Haftkraft gegenüber dem Schaltungsmuster abgestellt ist.
  • In der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-25336, eingereicht am 3. Februar 1989, regt die Anmelderin außerdem ein Isoliersubstrat an, das eine isolierende Grundschicht aus Aluminiumnitrid aufweist, welche Yttriumoxide und/oder Kalziumoxide, eine Schicht aus Aluminiumoxid und eine Schicht aus Siliziumoxid enthält; dieses Isoliersubstrat besitzt eine bessere mechanische Festigkeit und ist gegenüber einer Ablösekraft widerstandsfähiger. Diese japanische Patentanmeldung bildet eine Teilgrundlage der US-Patentanmeldung, die auf den Namen KUROMITSU u.a. am 5. Februar 1990 eingereicht wurde (die amtliche Empfangsbestatigung ist hierfür noch nicht eingegangen).
    • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die wichtige Aufgabe zugrunde, ein Isoliersubstrat der genannten Art zu schaffen, welches einen mehrschichtigen Oberflächenaufbau aufweist, der dünn genug ist. um die Wärmeabstrahlungsfähigkeit zu verbessern, ohne daß dies zu Lasten der Haftkraft geht.
  • Eine weitere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines mehrschichtigen Oberflächenaufbaus, der einerseits bei Anwesenheit von Glasfritten weniger Verluste aufweist, andererseits aber die Haftung eines Schaltungsmusters wirksam verbessert.
  • Entsprechend einer anderen wesentlichen Aufgabe der vorliegen den Erfindung soll diese eine Dickfilmschaltung schaffen, deren Schaltungsmuster fest mit einem Isoliersubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden ist.
  • Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit den Merkmalen aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Unteranspruch beschrieben.
  • Die Glasfritten sind stark basisch und deshalb reagiert eine ausgeprägt saure Substanz sehr stark mit den Glasfritten, während eine schwach saure Substanz eine weniger starke Reaktion hervorruft. Wird eine Filmschicht aus einer schwach sauren Substanz mit einer anderen Filmschicht aus einer stark sauren Substanz überlagert, reagieren die geschmolzenen Glasfritten rasch mit der stark sauren Substanz, beispielsweise während der Brennphase, weshalb der Reaktand die Viskosisät der geschmolzenen Glasfritten und damit auch deren Haftkraft verbessert. Dies führt allerdings zu einem raschen Verbrauch der stark sauren Substanz, während die schwach saure Substanz weniger schnell verbraucht wird. Damit bleibt die schwach saure Substanz viel weniger leicht auf der Grundschicht aus Aluminiumnitrid zurück, und die Glasfritten werden kaum mit dem Aluminiumnitrid in Kontakt gebracht. Dies führt zu einer unerwünschten Blasenbildung zwischen der Grundschicht aus Aluminiumnitid und einem aus der leitfähigen Paste gebildeten Schaltungsmuster.
  • Die Gesamtbicke der beiden Film schichten ist kleiner als die Dicke einer einzelnen Filmschicht aus der stark sauren Substanz, weshalb der mehrschichtige Filmaufbau weniger ausgeprägt die Ursache für eine Beeinträchtigung der Wärmeabstrahlfähigkeit eines Isoliersubstrats darstellt, als dies beider einzelnen Filmschicht aus der stark sauren Substanz ohne jegliche Einbuße beider Widerstandsfähigkeit gegenüber der Ablösekraft der Fall ist.
  • Siliziumdioxid, Baroxid, Phosphoroxid, Germaniumoxid, Arsenoxid, Selenoxid, Zinnoxid, Telluroxid, Schwefeloxid und Antimonoxid können die stark mit den Glasfritten reagierenden Substanzen sein, und Zirkondioxid, Titanoxid, Aluminiumoxid und Magnesiumoxid, Kalziumoxid, Strontiumoxid, Yttriumoxid, Bariumoxid können die mit den Glasfritten schwach reagieren den Substanzen sein. Dem einschlägigen Fachmann sind verschiedene Glasfritten wohlbekannt, und eine große Zahl der Glasfritten weist jeweils basische Komponenten auf. Aus diesem Grund wird aus Gründen der Vereinfachung auf eine weitere Beschreibung der Glasfritten hier verzichtet.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Merkmale und Vorteile eines erfindungsgemäßen Isoliersubstrats für eine Dickfilmschaltung ergeben sich in weiteren Einzelheiten aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung, in welcher:
  • Fig. 1 im Querschnitt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Isoliersubstrats zeigt;
  • Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer modellierten Form eines Meßinstruments zur Messung der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Ablösekraft ist, die durch eine Oberflächenfilmstruktur erzieit wird; und
  • Fig. 3 einen Querschnitt durch den Aufbau einer integrierten Hybridschaltung zeigt, die auf dem erfindungsgemäßen Isoliersubstrat hergestelt wurde.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE Erstes Ausführungsbeispiel
  • Aus Fig. 1 der Zeichnung ist zunächst ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Isoliersubstrats ersichtlich, welches eine Grundschicht bzw. Unterlage 1 und einen mehrschichtigen Oberflächenfilmaufbau 2 aufweist, der einen die Unterlage 1 bedeckenden unteren Oberflächenfilm 3, einen auf dem unteren Oberflächenfilm 3 ausgebildeten mitleren Oberflächenfilm 4 und einen oberen Oberflächenfilm 5 aufweist der auf dem mittleren Oberflächenfilm 4 ausgebildet ist. Ein Leitungsmuster 100 ist auf dem oberen Oberflächenfilm ausgebildet und wird unter wiederholter Ausführung einer Druckphase, beider eine leitfähige Paste aufgedruckt wird, und durch eine Brennphase fertiggestet. Die leitfähige Paste enthält beispielsweise ein Bleioxid und/oder ein Wismutoxid, wobei diese Oxide als stark basische Glasfritten bekannt sind.
  • Im vorliegenden Fall besteht die Grundschicht 1 aus einem Aluminiumnitid (AlN), das ein Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) und/oder Kalziumoxid (CaO) enthält, wobeidas Yttriumoxid und/oder das Kalziumoxid als Oxidantien dienen. Das Oxidationsmittel liegt in einem Anteil von etwa 0,1 Gew.% bis ca. 10 Gew.% vor. Allerdings kann die Unterlage 1 keinerlei Oxidationsmittel enthalten. Der untere Oberflächenfilm 3 ist aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) gebildet und liegt in einer Dicke zwischen rund 0,2 µm und ca. 15 µm vor. Der mittlere Oberflächenfilm 4 besteht aus Zirkoniumoxid (ZrO&sub2;) und weist eine Stärke von ca. 0,05 µm bis etwa 1 µm auf. Der obere Oberflächenfilm 5 besteht aus Siliziumdioxid (SiO&sub2;) und seine Dicke liegt im Bereich von ca. 0,05 pm bis etwa 1 µm. Jede der Filmschichten 1, 3, 4 und 5 kann eine kleine Menge sonstiger Verunreinigungen enthalten.
  • Die Grundschicht 1 wird in einem Sintervorgang hergestellt und wird teilweise codiert, so daß daß der untere Oberflächenfilm 3 auf der Unterlage 1 gebildet wird. Das Aluminiumoxid läßt man thermisch in oxidierender Umgebung aufwachsen, in der der Sauerstoffpartialdruck zwischen 10&supmin;² und 1 Atmosphäre beträgt, während der Wasserdampfpartialdruck höchstens etwa 10&supmin;³ Atmosphären beträgt und die Temperatur im Bereich zwischen rund 1100 ºC und ca. 1500 ºC liegt, Der mittlere Oberflächenfilm 4 und der obere Oberflächenfilm 5 werden jedoch unter Heranziehung einer Sol-Gel-Technik oder einer Sputter-Technik abgeschieden.
  • Das Oxidationsmittel beschleunigt die Bildung des unteren Oberflächenfilms 3 aus Aluminiumoxid, und die rasche Bildung des unteren Oberflächenfilms 3 verbessert den Durchsatz eines Sauerstoffträgers. Die Unterlage 1 als solche erhält eine höhere mechanische Festigkeit, da das Oxidationsmittelden Sintervorgang fördert. Wenn jedoch der Gehalt des Oxidationsmittels unter 0,1 Gew.% liegt, so tritt kaum eine Beschleunigung und Unterstützung des Oxidationsvorgangs ein. Wenn andererseits das Oxidationsmittel einen Gewichtsanteil von mehr als 10% hat, beeinträchtigt eine große Menge des Oxidationsmittels die Wärmeleitfähigkeit der Unterlage 1.
  • Die Gründe, weshalb ein Stärkebereich von 0,2 µm bis etwa 15 µm für den unteren Oberflächenfilm 3 vorgesehen ist, liegen darin, daß ein Aluminiumoxidfilm, der dünner als 0,2 µm ist, infolge eines Eindringens der Glasfritten nur eine schlechte Haftkraft herbeiführt, und daß eine Aluminiumoxidfilmschicht, die stärker als 15 µm ist, zu dick ist, um noch die Wärme zur Unterlage 1 wirksam weiterzuleiten.
  • Die Gesamtstärke der micleren und oberen Oberflächenfilme 4 und 5 hängt von der Anzahl der beider Herstellung des Leitungsmusters 100 ausgeführten Brennstufen ab. Der obere Oberflächenfilm 5 wird zunächst beiden frühen Brennstufen verbraucht, und anschließend wird der mittlere Oberflächenfilm 4 von den geschmolzenen Glasfritten verbraucht. Wird die Integrationsdichte der Bauelemente in der Schaltung erhöht, so wird das Isoliersubstrat zur Bildung eines komplexen Schaltungsmusters eher wiederholt gebrannt, und aus diesem Grund sollte die Gesamtstärke des Verbunds aus mittlerer und oberer Filmschicht 4 und 5 erhöht werden, um die Unterlage 1 gegen die Glasfrittenschmelze zu schützen. Im übrigen ist in der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff "Integrationsdichte" die Anzahl der Bauelemente der Schaltung pro Flacheneinheit eines Isoliersubstrats zu verstehen. Wenn allerdings das in Fig. 1 dargestellte Isoliersubstrat für eine Hybridschaltung mit hoher Integrationsdichte herangezogen wird, wie sie jetzt üblich ist, liegt die Starke der mittleren Oberflächenschicht 4 im Bereich zwischen ca. 0,05 µm und rund 1 µm, unter der Voraussetzung, daß der obere Oberflächenfilm 5 ebenfalls eine Dicke zwischen ca. 0,05 µm und etwa 1 µm aufweist. Diese Voraussetzung ist deshalb vernünftig, weil eine Filmschicht aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von weniger als ca. 0,05 µm in einer frühen Phase des Herstellungsprozesses für ein Schaltungsleitermuster mit üblicher Integrationsdichte leicht verbraucht wird, während eine Filmschicht aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von über 1 µm die Wärmeabstrahlungsfähigkeit des Isoliersubstrats 1 beeinträchtigt. Auch angesichts des Verbrauchs beim üblichen Verfahren sowie der Wärmeableitung ist dieser Stärkebereich für die mittlere Oberflächenfilmschicht 4 angemessen. Wenn über einen Zirkoniumoxidfilm mit einer Stärke von weniger als ca. 0,05 µm die obere Oberflächenschicht 5 mit einer Dicke im vorstehend genannten Bereich aufgebracht wird, verbrauchen die Glasfritten die Filmschicht aus Zirkoniumoxid sehr leicht und kommen eher mit der Unterlage 1 in Kontakt wobei infolge der Bildung von Stickstoffgas oder Stickoxidgas Blasen gebildet werden. Andererseits wird ein Zirkoniumoxidfilm mit einer Dicke von mehr als rund 1 µm während des Herstellungsverfahrens kaum von den Glasfritten verbraucht und bleibt dementsprechend auf der Unterlage 1. Da allerdings das Zirkoniumoxid eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitz beeinträchtigt der somit auf der Unterlage verbleibende Zirkoniumoxidfilm die Wärmeabstrahlungsfähigkeit des Isoliersubstrats.
  • Zirkoniumoxid ist weniger stark sauer als Siliziumdioxid, und die Glasfritten sind stark basisch. Mit anderen Worten reagiert das Siliziumdioxid mit den Glasfritten viel stärker als Zirkoniumoxid, und aus diesem Grund ist die Gesamtdicke der mittleren und oberen Oberflächenfilme 4 und 5 geringer als beieinem Siliziumdioxidfilm, der zwischen der Unterlage 1 und dem Schaltungs- bzw. Leitungsmuster 100 vorgesehen sein kann.
  • Nachfolgend wird nun ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Isoliersubstrats beschrieben. Der Herstellungsablauf beginnt damit, daß Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;), Kalziumoxid (CaO) und Aluminiumnitrid (AlN) als pulverförmige Bestandteile aufbereitet werden und diese pulverförmigen Bestandteile dann eine Teilchengröße aufweisen, die im Mitel einen Durchmesser von ca. 1 µm bis etwa 3 µm beszt. Ein Target, Lösungen und ein zur Bildung des mittleren Oberflächenfilms 4 und des oberen Oberflächenfilms 5 eingesetztes Gasgemisch werden nachfolgend noch beschrieben.
  • Die pulverförmigen Bestandteile werden unter Verwendung einer Naßkugelmühle etwa zweiundsiebzig Stunden eingestellt und vermischt, so daß sich verschiedene Gemische ergeben, die sich in ihren Anteilen voneinander unterscheiden. Die Mischungen werden getrocknet, woraufhin den Gemischen ein organisches Bindemittel zugesetzt wird, um so Pasten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen herzustellen. Das Gemisch mit dem oder den Oxidationsmittel(n) wird unter Verwendung einer Rakeltechnik zu folien- bzw. dünnplattenartigen Rohlingen geformt, die dann in einer Stickstoffatmosphäre einer Temperatur von rund 1800 ºC etwa 2 Stunden lang ausgesetzt werden. Die auf diese Weise gesinterten Rohlinge werden zu Isolierunterlagen mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen verarbeet. Die Isolierunterlagen weisen jeweils eine Oberfläche von 25,4 mm x 25,4 mm und eine Starke von ca. 0,625 mm auf. Die auf diese Weise hergestelten Isolierunterlagen sind mit den Kennungen P1 bis P6 sowie C1 bis C4 gekennzeichnet.
  • Die Isolierunterlagen mit den Kennzeichnungen P1 bis P6 werden zur Herstellung von erfindungsgemäßen Isoliersubstraten verwendet, während Isoliersubstrate, die nicht vom Umfang der vorliegenden Erfindung erfaßt werden, auf den Unterlagen mit den Kenn-Zeichnungen C1 bis C3 zu Vergleichszwecken hergestellt werden. Ein auf der Unterlage C4 hergestelltes Isoliersubstrat ist, wie nachstehend noch erlautert wird, gegenüber Wärme weniger wirksam. Tabelle 1 Zusammensetzung (nach Gew.%) Kennzeichnung nichts Rest
  • Nach Bildung der Unterlagen P1 bis P6 sowie C1 bis C4 werden diese jeweils in eine oxidierende Umgebung verbracht und das Aluminiumnitrid wird bei Anwesenheit des Oxidationsmittels umgehend oxidiert. Damit läßt man auf den Oberflächen der Unterlagen P1 bis P6 sowie C1 bis C4 das Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) aufwachsen, wodurch sich jeweils darauf die unteren Oberflächenfilme bilden. Tabelle 2 unterer Oberflächenfilm aus Al&sub2;O&sub3; Kennzeichnung Oxidationsbedingungen Dicke (µm) O&sub2;-Druck (Atm.) Dampfdruck (Atm.) Temp. (ºC)
  • An die Oxidationsvorgänge schließt sich die Bildung der mittleren Oberflächenschicht auf den jeweiligen unteren Oberflächenschichten an. Zur Bildung der oberen Oberflächenschichten stehen allerdings verschiedene Arbeitstechniken zur Verfügung, wobei für die Proben P1 bis P6 und C4 eine Sputter-Technik bzw. eine Sol- Gel-Technik herangezogen wurde. Die zu Vergleichszwecken vorgesehenen Unterlagen C1 bis C3 werden nach einer der beiden Techniken direkt mit Siliziumoxidfilmen beschichtet, wobei zwischen der jeweiligen unteren und oberen Oberflächenschicht keine mittlere Oberflächenschicht bzw. kein Zwischenfilm aufgebracht wurde.
  • Ein gesintertes Zirkoniumoxid-Target mit einer Reinheit von etwa 99% wird für das Sputterverfahren vorbereitet und das Target aus gesintertem Zirkoniumoxid besizt einen Durchmesser von ca. 3 mm und eine Höhe von rund 10 mm. Das Target wird in eine HF- Sputteranlage eingebaut, und die mit den unteren Oberflächenschichten überzogenen Unterlagen P2, P4, P6 und C4 werden dem Target aus gesintertem Zirkoniumoxid gegenübergestellt Die Unterlagen P2, P4, P6 und C4 drehen sich mit einer Geschwindigkeit von rund 10 UpM, wobeider Sputtervorgang mit einer Leistung von etwa 70 Watt je nach Dicke der mittleren Oberflächenschicht über einen entsprechenden Zeitraum abläuft.
  • Bei der Beschichtung nach dem Sol-Gel-Veifahren werden die Arbeitsgänge des Eintauchens in eine Kolloidlösung und des Trocknens so oft wiederholt, wie dies vorgegeben ist; wie oft dies geschieht, hängt von der Dicke jedem mittleren Oberflächenschicht ab. Die Kolloidlösung wird dadurch angesetzt, daß 1500 g Isopropylalkohol mit 600 g Zirkoniumtetrabutoxid versetzt werden. Die so gebildeten Unterlagen P1, P3 und P5 werden mit den auflaminierten Filmschichten etwa 1 Stunde lang in einer umgebenden Atmosphäre mit hoher Temperatur von etwa 1000 ºC belassen, und anschließend werden die auflaminierten Filmschichten gebrannt, um so auf der jeweiligen unteren Oberflächenschicht die entsprechende mittlere Oberflächenschicht herzustellen. In diesem Fall wird mit einem Eintauchverfahren gearbeitet, auch wenn unter Umständen eine Sprühbeschichtung ebenfalls möglich ist. Die Herstellung der jeweiligen mittleren Filmschichten ist zusammengefaßt in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3 mittlerer Oberflächenfilm Kennzeichnung Herstellungstechnik bis Dicke (µm) Sol-Gel Sputtern keine
  • Die oberen Oberflächenschichten werden dann auf der jeweiligen mittleren Oberflächenschicht oder direkt auf der entsprechenden unteren Oberflächenschicht ausgebildet, wobei auch hier zur Bildung der oberen Oberflächenschichten mit einer Sputtertechnik oder einem Sol-Gel-Verfahren gearbeitet wird.
  • Hierzu wird ein Quarz-Target mit einer Reinheit von ca. 99,9 % für das Sputterverfahren präpariert, das einen Durchmesser von etwa 3 mm und eine Höhe von rund 10 mm besitzt. Dieses Target wird dann in einer HF-Sputteranlage eingebaut, woraufhin die Unterlagen mit den unteren und mittleren Oberflächenschichten gegenüber dem Quarz-Target eingesetzt werden. Die Unterlagen drehen sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 UpM, wobei das Sputterverfahren je nach der Dicke der mittleren Oberflächenschicht entsprechend lang mit einer Leistung von ca. 100 W abläuft.
  • Beider Beschichtung nach dem Sol-Gel-Verfahren werden die Unterlagen in eine Kolloidlösung ein getaucht und anschließend getrocknet. Die Arbeitsgänge des Eintauchens und Trocknens werden so Ort wiederholt, wie dies vorgegeben ist, wobei die Häufigkeit der Wiederholung von der Stärke jedes mittleren Oberflächenfilms abhängt, Die Kolloidlösung wird dadurch angesetzt, daß 500 g Ethylalkohol mit 250 g Ethylsilikat versetzt werden. Die so gebildeten Unterlagen mit den auflaminierten Film schichten werden nun etwa 1 Stunde lang in eine umgebende Atmosphäre mit hoher Temperatur von ca. 1000 ºC eingebracht, und anschließend werden die auflaminierten Film schichten gebrannt, um so die oberen Oberflächenschichten auf den jeweiligen mittleren Oberflächenfilmen herzustellen. In diesem Fall wird zwar nach dem Tauchverfahren gearbeitet, doch kann gegebenenfalls auch eine Sprühbeschichtung in Frage kommen. Die Herstellung der oberen Filmschichten ist zusammengefaßt in Tabelle 4 ausgewiesen. Tabelle 4 mittlerer Oberflächenfilm Kennzeichnung Herstellungstechnik Dicke (µm) Sol-Gel Sputtern
  • Die jeweilige Wärmeleitfähigkeit der Isoliersubstrate (die auch mlt den Kennzeichnungen P1 bis P6 und C1 bis C4 jeweils angegeben sind) wird jeweils unter Verwendung einer Laserblitztechnik gemessen, während die Ablösungsfestigkeit bzw. die Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Ablösen des weiteren zur Bewertung der Haftkräfte gemessen wird, die zwischen den mehrschichtigen Oberflächenfilmstrukturen 2 und dem jeweils entsprechenden Schaltungsmuster wirksam sind, wozu die folgende Anordnung heran gezogen wird. Und zwar wird auf die Isoliersubstrate P1 bis P6 und C1 bis C4 eine aus pulverförmiger Palladiumlegierung mit 20 Gew.% Silbergehalt bestehende leitfähige Paste im Siebdruck aufgebracht. wobei die so aufgedruckte Paste jeweils eine Fläche von ca. 2 mm x ca. 2 mm bedeckt. Die quadratisch geformten Pastenschichten werden ca. 10 Minuten lang bei 125 ºC getrocknet und danach ca. 10 Minuten lang bei etwa 850 ºC gebrannt. Der Brennvorgang wird neunmal wiederhclt, um so auf den oberen Oberflächenschichten 5 jeweils die Pastenschichten 6 herzustellen. Danach werden die Pastenschichten 6 zehnmal wärmebehandelt. Auf jede der Pastenschichten 6 wird ein im wesentlichen L-förmiger Draht 7 aus sauerstoffreiem Kupfer aufgelötet, der bei etwa 215 ºC an der Pastenschicht angelötet wird. Der Draht aus sauerstoffreiem Kupfer 7 weist einen Durchmesser von ca. 0,9 mm auf, während zum Bondieren ein eutektisches kristallines Lot 8 aus Zinn/Blei verwendet wird. Der sauersoffreie Kupferdraht 7 wird in die mit dem Pfeil T bezeichnete Richtung gezogen und die Zugkraft wird allmählich erhöht, bis sich die Pastenschicht 6 vom Isoliersubstrat ablöst. Die größte Kraft wird nun durch die Fläche dividiert, die die Pastenschicht 5 bedeckt, und diese Kraft pro Flächeneinheit wird als "Ablösefestigkeit" definiert.
  • Die Wärmeleitfähigkeit und die Ablösefestigkeit sind für die einzelnen Isoliersubstrate P1 bis P6 und C1 bis C4 jeweils in Tabelle 5 ausgewiesen. Wie sich aus Tabelle 4 ergibt, ist die Ablösefestigkeit bei jedem erfindungsgemäßen Isoliersubstrat etwa dreimal höher als beidem zu Vergleichszwecken eingesetzten Isoliersubstrat, ohne daß eine erhebliche Einbuße an Wärmeleilfähigkeit vorliegt, Tabelle 5 Kennzeichnung Wärmeleitfähigkeit (cal/sec cm º) Ablösefesgkeit (kg/4 mm²)
  • Die in Tabellen 1 bis 5 angegebenen Proben weisen jeweils die mittleren Oberflächenschichten 4 aus Zirkoniumoxid auf, doch sind auch schwach saure Substanzen vorhanden, beispielsweise Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Kalziumoxid, Strontiumoxid, Yttriumoxid und Bariumoxid. Als stark saure Substanzen lassen sich Boroxid, Phosphoroxid, Germaniumoxid, Arsenoxid, Selenoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Telluroxid und Schwefeloxid nennen. Jede Kombination zwischen den schwach und stark sauren Substanzen ist von Vorteil, wenn der Verbrauch der Oberflächenfilmstruktur verzögert werden soll, und dementsprechend auch die Wärmeleitfähigkeit infolge einer Verringerung der Dicke.
  • Das erfindungsgemäße Isoliersubstrat eignet sich beispielsweise zur Herstellung einer integrierten Hybridschaltung. Fig. 3 zeigt den Aufbau einer integrierten Hybridschaltung, die auf einem erfindungsgemäßen Isoliersubstrat 10 hergestellt wird. Dabei wird auf dem Isoliersubstrat 10 ein Leitungsmuster 11 gebildet, das jeweils die Verbindungen zwischen einer auf einem einzelnen Chip integrierten Schaltung 12, einem Widerstandsmuster 13 und einem anderen Chipelement 14 herstellt. Die Bauelemente 12 bis 14, die dabei auf dem Isoliersubstrat 10 montiert sind, sind in einem Kunstharz 15 eingesiegelt, während sich zum Anschluß an ein (hier nicht dargestelltes) externes System äußere Anschlußdrähte über die Kunststoffummantelung 13 hinaus erstrecken. Dabei ist hier einer der außenliegenden Anschlußdrähte dargestellt, der mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist.
  • Das erfindungsgemäße Isoliersubstrat als solches bildet einen festen Schaltungsträger für eine elektrische oder elektronische Schaltung, wobei allerdings unter Verwendung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Isoliersubstraten auch ein mehrschichtiger Schaltungsträger hergestellt werden kann. Und zwar wird dabei auf jedem der Isoliersubstrate ein Schaltungsmuster ausgebildet, während durch Vermischen eines Glaspulvers wie beispielsweise pulverförmiges Borsilikatglas mit einem organischen Bindemittel eine haftfähige Paste hergestellt wird. Dieser pastöse Kleber wird auf die Isoliersubstrate aufgedruckt, und die so mit der haftfähigen Paste bedruckten Isoliersubstrate werden zur Bildung eines mehrschichtigen Aufbaus laminiert. Diese mehrschichtige Konstruktion wird dann auf eine bestimmte Temperatur über dem Erweichungspunkt des Glaspulvers erwärmt, um so einen mehrschichtigen Schaltungsträger fertigzustellen.
  • Zur Ausbildung eines Leitungsmusters auf dem erfindungsgemäßen Isoliersubstrat wird auf dieses eine Paste aufgedruckt und anschließend gebrannt. Diese Paste enthält Glasfritten, von denen einige jeweils basische Bestandteile enthalten; diese Glasfritten sind jedoch dem einschlägigen Fachmann wohlbekannt, weshalb sie aus Gründen der Vereinfachung hier nicht weiter beschrieben werden.
    • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ähnlich wie das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel aufgebaut, und aus diesem Grund sind die Filmschichten und die Grundschicht, aus denen dieses Substrat besteht, in der nachfolgenden Beschreibung mit denselben Bezugszeichen angegeben, während auch auf eine ausführliche Beschreibung aus Gründen der Vereinfachung hier verzichtet wird. Die Grundschicht 1, die untere Oberflächenschicht 3 und die obere Oberflächenschicht 5 sind vom Material und der Starke her den entsprechenden Elementen aus dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich, doch die mittlere Oberflächenschicht 4 enthält nicht nur das Zirkoniumoxid (ZrO&sub2;), sondern auch ein Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;). Der Gehalt an Aluminiumoxid liegt dabei höher als ca. 0,5 Gew.%. Der Grund hierfür liegt in dem Umstand, daß ein mittlerer Oberflächenfilm mit einem Aluminiumoxidgehält von unter 0,5 % die Haftfähigkeit gegenüber dem unteren Oberflächenfilm kaum verbessert.
  • Nachfolgend wird nun ein Verfahren zur Herstellung des Isoliersubstrats entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Bildung der Grundschichten P11 bis P16 und C11 bis C12 erfolgt in ähnlicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel, weshalb hier auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet wird. Die andere Zusammensetzung ist allerdings in Tabelle 6 ausgewiesen. Tabelle 6 Zusammensetzung (nach Gew.%) Kennzeichnung nichts Rest
  • Dabeiwerden die unteren Filmschichten 3 in ähnlicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel hergestellt; die hierfür geltenden Umgebungsbedingungen zur Oxidierung sind in Tabelle 7 angegeben. Tabelle 7 unterer Oberflächenfilm aus Al&sub2;O&sub3; Kennzeichnung Oxidationsbedingungen Dicke (µm) O&sub2;-Druck (Atm.) Dampfdruck (Atm.) Temp. (ºC)
  • Die mittleren Oberflächenschichten 4 werden nach einem Sputterverfahren oder in einem Sol-Gel-Prozeß auf dem jeweiligen unteren Oberflächenfilm 3 hergestelt. Für das Sputterverfahren werden jeweils zwei Targets aus gesintertem Zirkoniumoxid mit einer Reinheit von 99 % gebildet. d.h. einem komplexen gesinterten Aluminium- und Zirkoniumoxid, wobeider Zirkoniumoxidgehalt bei etwa 1 Gew.% liegt, während es sich beidem gesinterten komplexen Oxid um eine feste Lösung handelt. Jedes Target besitzt einen Durchmesser von ca. 100 mm und eine Höhe von etwa 10 mm. Die Targets werden selektiv in einer HF-Sputtersnlage installiert, während die Grundschichten P11, P13, P15 und C12, die jeweils mit einem unteren Oberflächenfilm beschichtet sind, den Targets gegenüber angeordnet werden. Die Unterlagen P11, P13, P15 und C12 drehen sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 10 UpM, während der Sputtervorgang in jedem Fall mit einer Leistung von 70 Watt über einen Zeitraum abläuft, der von der Stärke der mittleren Filmschicht 4 abhängt.
  • Beider Beschichtung nach dem Sol-Gel-Verfahren wird im Wechsel in jede der beiden Kolloidlösung ein getaucht und getrocknet, und zwar so aft, wie dies vorgegeben ist, wobei die Häufigkeit von der Stärke jeder mittleren Filmschicht abhängt, Die Kolloidlösungen werden dadurch hergestellt, daß 500 g Ethylalkohol und 250 g Ethylsilikat vermischt werden, und 1500 g Isopropylalkhol weit 350 g Zirkonium-Tetrabutoxid und 150 g Aluminium-Diisopropyleto-Monobutyleto vesetzt werden. Die so mit auflaminierten Filmen gebildeten Träger P12, P14, P16 und C11 werden etwa 1 Stunde lang in eine um gebende Atmosphäre mit hoher Temperatur von etwa 1000 ºC verbracht, und anschließend werden die auflaminierten Filmschichten gebrannt, um so die mittleren Oberflächenschichten 4 auf der jeweiligen unteren Oberflächenschicht herzustellen. Die Ausbildung der mittleren Film schichten ist in Tabelle 8 zusammengefaßt. Tabelle 8 mittlerer Oberflächenfilm Kennzeichnung Verfahren Zusammensetzung (Gew.%) Dicke Zirkoniumoxid Aluminiumoxid Sputtern Sol-Gel
  • Die oberen Oberflächenschichten 5 werden in ähnlicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel auf der jeweiligen mittleren Oberflächenschicht 4 ausgebildet, wobeidas Verfahren zur Herstellung jeder oberen Oberflächenschicht 5 zusammen mit deren Stärke in Tabelle 9 aufgeführt ist. Tabelle 9 oberer Oberflächenfilm Kennzeichnung Herstellungstechnik Dicke (µm)
  • Die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Isoliersubstrate (die auch jeweils mit den Kennzeichnungen P11 bis P16 und C11 bis C12 ausgewiesen sind) wird unter Heranziehung einer Laserblitztechnik gemessen, während die Ablösungsfestigkeit bzw. die Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Ablösen des weiteren zur Bewertung der Haftkräfte gemessen wird, die zwischen den mehrschichtigen Oberflächenfilmstrukturen 2 und dem jeweils entsprechenden Schaltungsmuster wirksam sind, wozu die in Fig. 2 dargestellte Anordnung herangezogen wird; die dabei herrschenden Bedingungen entsprechen denen, die im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschiften wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 zusammengefaßt. Tabelle 10 Kennzeichnung Wärmeleitfähigkeit (cal/sec cm º) Ablösefesgkeit (kg/4 mm²)
  • Beiden in Tabellen 6 bis 10 ausgewiesenen Proben enthälten die jeweiligen mittleren Oberflächenschichten 4 jeweils das Zirkoniumoxid und das Aluminiumoxid, während jedoch einige schwach saure Substanzen vorhanden sind, beispielsweise Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Kalziumoxid, Strontiumoxid, Yttriumoxid und Bariumoxid. Als stark saure Substanzen lassen sich Boroxid, Phosphoroxid, Germaniumoxid, Arsenoxid, Selenoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Telluroxid und Schwefeloxid nennen.
  • Wie sich aus Tabelle 10 entnehmen läßt, weisen die erfindungsgemäßen Isoliersubstrate P11 bis P16 eine höhere Ablösungsfestigkeit auf als die Beispiele C1 bis C3 nach dem Stand der Technik gemäß Tabelle 5, wobei in jedem Fall die Wärmelfähigkeit gegenüber den entsprechenden Werten C1 bis C3 gemäß dem Stand der Technik geringfügig nledriger ist. Damit beszt die vorliegende Erfindung gegenüber dem Stand der Technik Vorteile hinsichtlich der Ablösungsfestigkeit, ohne größere Beeinträchtigung der Wärmeleitfähigkeit Die Isoliersubstrate C11 und C12 besitzen keine so hohe Wärmeleitfähigkeit, da die Dicke der mittleren Oberflächenfilme 4 den empfehlenswerten Bereich von 0,05 µm bis 1 µm überschreitet.
  • Das Isoliersubstrat mit dem für es typischen mittleren Oberflächenschicht 4 aus dem Oxidkomplex Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid wird auch für den Aufbau eines mehrschichtigen Isoliersubstrats ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel herangezogen.
    • Drittes Ausführungsbeispiel
  • Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aufgebaut, weshalb auf eine ausführliche Beschreibung aus Gründen der Vereinfachung hier verzichtet wird; auch hier sind den einzelnen Elementen in der Struktur jeweils die gleichen Bezugszeichen zugeordnet.
  • Beidem dritten Ausführungsbeispiel sind die Grundschicht 1 und die untere Oberflächenschicht 3 vom Material und der Dicke her dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich, während der mittlere Oberflächenfilm 4 aus einem Oxidkomplex aus Zirkoniumoxid (ZrO&sub2;) und Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) besteht. Die Starke des mittleren Oberflächenfilms 4 des dritten Ausführungsbeispiels liegt innerhalb eines Bereichs zwischen etwa 0,05 µm und ca. 1 µm, und der Aluminiumoxidanteil ist höher als ca. 0,5 Gew.%. Die Gründe für die empfehlenswerte Starke und den empfohlenen Aluminiumoxidgehalt sind ähnlich denjenigen, wie sie in Verbindung mit der mittleren Oberflachenschicht nach dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden.
  • Das dritte Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch den oberen Oberflächenfilm 5 aus, der ein Siliziumoxid (SiO&sub2;) und ein Boroxid (B&sub2;O&sub5;) enthält. Der Boroxidgehalt liegt im Bereich zwischen etwa 5 und 50 Gew.%, während die Starke des oberen Oberflächenfilms 5 zwischen etwa 0,01 µm und 1 µm liegt. Das Boroxid ist stark sauer und dementsprechend reagiert es stärker mit den Glasfritten, was die Haftkraft der leitfähigen Paste verbessert. Wenn allerdings der Gehalt unter ca. 5 Gew.% liegt, ist das Boroxid beider Verbesserung der Haftkraft weniger wirksam. Ein Boroxidanteil über 50% ist in der umgebenden Atmosphäre instabil, da die Luft Dampf enthält. Eine obere Oberflächenschicht mit einer Starke von unter 0,01 µm verbessert die Haftung des Schaltungsmusters 100 kaum. Ist der obere Oberflächenfilm 5 dicker als 1 µm, so leitet das Isoliersubstrat die von den Bauelernenten der Schaltung erzeugte Wärme kaum weiter, weshalb die Temperatur des Schaltungsmusters 100 und der Bauelemente in der Schaltung leicht ansteigt.
  • Nachfolgend wird nun ein Verfahren zur Herstellung des Isoliersubstrats entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Bildung der Träger P21 bis P33 und C21 his C33 erfolgt ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel, und aus diesem Grund wird nachfolgend auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet. Die einzelnen Zusammensetzungen sind allerdings in den Tabellen 11A und 11B ausgewiesen. Tabelle 11A Zusammensetzung (nach Gew.%) Kennzeichnung nichts Rest Tabelle 11B Zusammensetzung (nach Gew.%) Kennzeichnung nichts Rest
  • Die unteren Film schichten 3 werden in ähnlicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel hergestellt, und die jeweils eingesetzte oxidierende Umgebung ist in den Tabellen 12A und 12B angegeben. Tabelle 12A unterer Oberflächenfilm aus Al&sub2;O&sub3; Kennzeichnung Oxidationsbedingungen Dicke (µm) O&sub2;-Druck (Atm.) Dampfdruck (Atm.) Temp. (ºC) Tabelle 12B unterer Oberflächenfilm aus Al&sub2;O&sub3; Kennzeichnung Oxidationsbedingungen Dicke (µm) O&sub2;-Druck (Atm.) Dampfdruck (Atm.) Temp. (ºC) entfällt
  • Die mittleren Oberflächenschichten 4 werden auf den jeweiligen unteren Oberflächenfilmen 3 mittels eines Sputterverfährens oder mit einer Sol-Gel-Technik hergestelt. Für das Sputterverfahren werden vier Targets vorbereitet, und zwar ein Target aus gesintertern Zirkoniumoxid (ZrO&sub2;) mit einer Reinheit von 99 %, ein Target aus gesintertem Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid mit einem Aluminiumoxidgehalt von ca. 1 Gew.%, ein Target aus gesintertem Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid mit einem Aluminiumoxidgehalt von ca. 20 Gew.%, und ein Target aus gesintertem Aluminium- und Zirkoniumoxid mit einem Aluminiumoxidanteil von rund 38 Gew.%. Die geeinterten Oxide liegen in Form einer festen Lösung vor. Jedes Target besitzt einen Durchmesser von rund 100 mm und eine Höhe von etwa 10 mm. Die Targets werden selektiv in einer HF-Sputteranlage installiert, worauf die Grundschichten P24, P26, P28, P32, P33, C23, C26 und C30, die jeweils mit dem entsprechenden unteren Oberflächenfilm überzogen sind, diesen Targets gegenüber eingebracht werden. Die Träger P24, P26, P28, P32, P33, C23, C26 und C30 drehen sich jeweils mit einer Umlaufgeschwinaigkeit von ca. 10 UpM, während der Sputtervorgang mit einer Leistung von 70 Watt über einen Zeitraum abläuft, der von der Stärke der mittleren Oberflächenschicht 4 abhängig ist.
  • Beider Sol-Gel-Beschichtung wird so oft eingetaucht und im Wechsel getrocknet, wie dies vorgegeben ist, wobei diese Häufigkeit von der Dicke jeder mittleren Oberflächenschicht abhängt, Die Kolloidlösungen werden dadurch hergeste, daß eine erste Lösung aus 1500 g Isopropylalkohol und 600 g Zirkoniumtetrabutoxid mit einer zweiten Lösung aus 1500 g Isopropylalkohol und 150 g Aluminium- Diisopropyleto-Monobutyleto vermischt wird. Die auf diese Weise mit den auflaminierten Film schichten hergestellten Träger P21 bis P23, P25,, P27, P29 bis P31, C21, C22, C24, C25 und C27 bis C29 werden dann ca. eine Stunde lang in eine um gebende Atmosphäre mit hoher Temperatur bei ca. 1000 ºC eingebracht, woraufhin die auflaminierten Film schichten eingebracht werden, um so die mittleren Oberflächenschichten 4 auf den jeweiligen unteren Film schichten herzustellen. Die Bildung der einzelnen mittleren Filmschichten ist in den Tabellen 13A und 13B zusammengefaßt. Tabelle 13A mittlerer Oberflächenfilm Kennzeichnung Verfahren Zusammensetzung (Gew.%) Dicke Aluminiumoxid Zirkoniumoxid Sol-Gel Sputtern Rest Tabelle 13B mittlerer Oberflächenfilm Kennzeichnung Verfahren Zusammensetzung (Gew.%) Dicke Aluminiumoxid Zirkoniumoxid Sol-Gel Sputtern nichts Rest keine
  • Die oberen Oberflächenschichten 5 werden unter Heranziehung eines Sputterverfahrens oder einer Sol-Gel-Technik auf den jeweiligen mittleren Oberflächenschichten 4 gebildet. Für das Sputterverfahren werden drei Targets vorbereiet, und zwar eines aus gesintertem Siliziumdioxid mit einer Reinheit von 99,9 %, eines aus einem Sinterprodukt aus Siliziumdioxid (SiO&sub2;) und Boroxid (B&sub2;O&sub3;) mit einem Siliziumdioxidanteil von ca. 10 Gew.%, und eines aus einem gesinterten Produkt aus Siliziumdioxid und Boroxid mit einem Siliziumdioxidanteil von ca. 30 Gew.%. Bei den gesinterten Produkten handelt es sich jeweils um eine feste Lösung. Jedes dieser Targets besitzt einen Durchmesser von rund 100 mm und eine Höhe von etwa 10 mm. Die Targets werden selektiv in einer HF-Sputteranlage installiert, während die mit der jeweiligen mittleren Oberflächenschicht überzogenen Träger P21, P25, P27, P28, P33, C24 bis C26 und C33 diesen Targets gegenüber eingesetzt werden. Die Träger P21, P25, P27, P28, P33, C24 bis C26 und C31 drehen sich mit einer Umlaufgeschwindigkeit von rund 10 UpM, und jeder Sputtervorgang wird mit einer Leistung von ca. 100 W über einen bestimmten Zeitraum vorgenommen, der von der Stärke der oberen Oberflächenschicht 5 abhängt,
  • Beider Sol-Gel-Beschichtung wird so oft in eine der beiden Kolloidlösungen eingetaucht und anschließend getrocknet, wie dies vorgegeben ist, wobei die Häufigkeit dieser Wiederholung von der Starke jeder oberen Oberflächenschicht abhängt. Die Kolloidlösungen werden dadurch angesetzt, daß eine erste Lösung aus 500 g Ethylalkohol und 250 g Ethylsikat und eine zweite Lösung aus 500 g Ethylalkohol und 100 g Triethoxyboran gemischt werden. Nun werden die so mit den auflaminierten Filmschichten versehenen Träger P22 bis P24, P26, P29 bis P32, C22, C23 und C27 bis C32 etwa 1 Stunde lang in eine um gebende Atmosphäre bei hoher Temperatur von ca. 1000 ºC eingebracht, und danach werden die auflaminierten Schichten gebrannt, um so die oberen Oberflächenfilme 5 auf den jeweiligen mittleren Film schichten 4 oder direkt auf den Grundschichten 1 zu bilden. Die Bildung der oberen Schichten 5 ist in zusammengefaßter Form den Tabellen 14A und 14B zu entnehmen. Tabelle 14A oberer Oberflächenfilm Kennzeichnung Verfahren Zusammensetzung (Gew.%) Dicke Sputtern Sol-Gel Rest Tabelle 14B mittlerer Oberflächenfilm Kennzeichnung Verfahren Zusammensetzung (Gew.%) Dicke Sputtern Sol-Gel nichts Rest
  • Die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Isoliersubstrate (die ebenfalls mit den Kennzeichnungen 21 bis P33 bzw. C21 bis C33 kenntlich gemacht sind) wird unter Einsatz der Laserblitztechnik gemessen, während außerdem zur Bewertung der zwischen den mehrschichtigen Oberflächenfilmstrukturen 2 und dem jeweiligen Schaltungsmuster wirksamen Haftkräfte auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Ablösung bzw. die Ablösefestigkeit jeweils unter Einsatz der Anordnung gemäß Fig. 2 gemessen wird. Unmittelbar nach der Ausbildung der ersten leitfähigen Schichten bzw. nach Fertigstellung der Leitungsmuster werden die Wärmelitfähigkeit und die Ablösefestigkeit jeweils gemessen.
  • Die Ergebnisse sind in den Tabellen 15A bis 15D zusammengefaßt wiedergegeben. Tabelle 15A (1. Filmschicht) Kennzeichnung Wärmeleitfähigkeit (cal/sec cm ºC) Ablösefesgkeit (kg/4 mm²) Tabelle 15B (Schaltungsmuster) Kennzeichnung Wärmeleitfähigkeit (cal/sec cm ºC) Ablösefesgkeit (kg/4 mm²) Tabelle 15C (1. Filmschicht) Kennzeichnung Wärmeleitfähigkeit (cal/sec cm ºC) Ablösefesgkeit (kg/4 mm²) Tabelle 15D (Schaltungsmuster) Kennzeichnung Wärmeleitfähigkeit (cal/sec cm ºC) Ablösefesgkeit (kg/4 mm²)
  • Die Proben nach den Tabellen 11A bis 15D weisen jeweils eine mittlere Oberflächenschicht 4 auf, die Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid enthält; allerdings sind auch einige schwach saure Substanzen vorhanden, beispielsweise Titanoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Kalziumoxid, Strontiumoxid, Yttriumoxid und Bariumoxid. Außerdem ist es möglich, daß die obere Oberflächenschicht 5 aus einer Substanz gebildet ist, die stärker sauer ist als die zur Bildung der mittleren Oberflächenschicht 4 eingesetzte Substanz; beispielsweise stehen hierfür Boroxid, Phosphoroxid, Germaniumoxid, Arsenoxid, Selenoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Telluroxid und Schwefeloxid zur Verfügung.
  • Das Isoliersubstrat nach dem dritten Ausführungsbeispiel wird auch zur Herstellung eines mehrschichtigen Isoliersubstrats ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel eingesetet.
  • Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, wirkt die mittlere Oberflächenschicht 4 den eindringenden geschmolzenen Glasfritten wirksam entgegen, ohne daß dadurch die Gesamtstärke der mittleren und oberen Oberflächenschicht erhöht werden muß. Die erfindungsgemäßen Isoliersubstrate besitzen eine ebenso hohe Wärmeleitfähigkeit wie die Isoliersubstrate ohne jede untere und mittlere Oberflächenschicht, während bei ihnen die Ablösefestigkeit verbessert wurde. Auch wenn das erfindungsgemäße Isoliersubstrat im Vergleich zu den in der am 5. Februar 1990 eingereichten US- Patentanmeldung beschriebenen Trägern ein wenig teurer ist, bietet das erfindungsgemäße Isoliersubstrat bei wiederholtem Brennvorgang ohne Einbuße bei der Wärmeleitfähigkeit einen großen Vorteil hinsichtlich der Ablösungsfestigkeit.

Claims (2)

1. Isoliersubstrat, geeignet als Unterlage für ein Leitungsmuster (11, 100), das aus einer glasfrittenhaltigen Paste mit mindestens einer chemisch basischen Komponente darauf hergestellt ist, welche folgendes aufweist:
(a) eine Aluminiumnitrid und sonstige Verunreinigungen enthaltende Unterlage (1); und
(b) einen mehrschichtigen Oberflächenfilmaufbau (2), der zwischen der Unterlage und dem Lettungsmuster vorgesehen ist, wobei der mehrschichtige Oberflächenaufbau (2) des weiteren einen unteren Oberflächenfilm (3) umfaßt, der auf einer Oberfläche der Unterlage vorgesehen ist und Aluminiumoxid und sonstige Verunreinigungen enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß der mehrschichtige Oberflächenaufbau des weiteren einen mittleren Oberflächenfilm (4) aufweist, der auf dem unteren Oberflächenfilm (3) angeordnet ist und eine Substanz mit vergleichsweise geringer Azidtät gegenüber der Glasfritte enthält, wobei der mittlere Oberflächenfilm (4) sonstige Verunreinigungen enthält, und ferner einen oberen Oberflächenfilm (4), der auf dem mittleren Oberflächenfilm (4) angeordnet ist und eine Substanz von vergleichsweise hoher Azidität gegenüber der Glasfritte enthält und sonstige Verunreinigungen beinhaltet.
2. Integrierte Hybridschaltung mit einem Isoliersubstrat nach Anspruch 1, welche des weiteren ein auf dessen oberem Oberflächenfilm ausgebildetes Leitungsmuster umfaßt, wobei das Leitungsmuster (11) einen Teil einer elektrischen Schaltung, zusammen mit anderen Schaltungselementen, bildet.
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