DE69106830T2

DE69106830T2 - Verfahren zum Vermindern des Schrumpfens beim Brennen keramischer Körper.

Info

Publication number: DE69106830T2
Application number: DE69106830T
Authority: DE
Inventors: Kurt Richard Mikeska; Daniel T Schaefer
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1990-10-04
Filing date: 1991-10-01
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2011-10-02
Also published as: DE69106830D1; JP2554415B2; CN1130606A; CN1061585A; CN1145350A; KR940001653B1; EP0479219A1; MY107198A; CN1048969C; CN1035609C; US5254191A; KR920007950A; US5387474A; JPH04243978A; EP0479219B1; CN1125002C; CA2052210A1; US5474741A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur wesentlichen Verminderung und Steuerung der planaren Schrumpfung und Verhinderung der Verformung keramischer Körper während des Brennens.
Eine verdrahtete Leiterplatte ist die physikalische Realisierung von elektronischen Schaltungen oder Untersystemen aus einer Anzahl äußerst kleiner Schaltungselemente, die elektrisch oder mechanisch miteinander verbunden sind. Häufig ist es wünschendwert, diese verschiedenen elektronischen Komponenten zu einer Vorrichtung zu kombinieren, so daß sie physikalisch isoliert und aneinander benachbart in einer einzigen kompakten Baugruppe montiert werden können und elektrisch miteinander und/oder an übliche Anschlüsse, die sich über die Baugruppe hinaus erstrecken, verbunden werden können.
Komplexe elektronische Schaltungen erfordern im allgemeinen, daß die Schaltung aus verschiedenen Schichten aus Leitern aufgebaut sind, die durch dielektrische Isolierschichten getrennt sind. Die leitfähigen Schichten sind zwischen Niveaus durch elektrisch leitfähige Pfade durch den Nichtleiter, Kontaktlöcher genannt, miteinander verbunden.
Ein wohlbekanntes Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtenschaltung ist das gemeinsame Brennen einer Vielzahl von keramischen Band-Dielektrika, auf die Leiter mit metallisierten Kontaktlöchern gedruckt sind, die sich durch die dielektrischen Schichten erstrecken, um die verschiedenen Leiterschichten miteinander zu verbinden. (Siehe Steinberg, US 4 654 095). Die Band-Schichten werden im Register gestapelt und bei einer vorher ausgewählten Temperatur und Druck zusammengepreßt, um eine Monolith-Struktur zu bilden, die bei einer erhöhten Temperatur gebrannt wird, um das organische Bindemittel abzuziehen, das leitfähige Metall zu sintern und das Dielektrikum zu verdichten. Dieses Verfahren hat den Vorteil gegenüber klassischen "Dickfilm"-Verfahren, daß das Brennen nur einmal durchgeführt werden muß, Zeit für die Herstellung und Arbeit eingespart wird und die Diffusion mobiler Metalle, was Kurzschluß zwischen den Leitern verursachen kann, begrenzt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß der Grad der Schrumpfung, die beim Brennen erfolgt, schwierig zu steuern sein kann. Diese Ungewißheit der Dimension ist besonders bei großen, komplexen Schaltungen unerwünscht und kann während nachfolgender Montagearbeiten Lageungenauigkeiten ergeben.
Drucksintern oder Heißpressen - das Brennen eines keramischen Körpers mit einer äußerlich angewendeten Last oder eines Gewichts - ist ein wohlbekanntes Verfahren für sowohl die Reduzierung der Porosität als auch Steuerung der Form (Dimensionen) von keramischen Teilen. (Siehe Takeda et al., US 4 585 706; Kingery et al., Introduction to Ceramics, Seite 502.503, Wiley, 1976).
Drucksintern von keramischen Schaltungen in einfachen Formen wird durch die Neigung des Teils an der Form zu haften und/oder durch das Auftreten von Kreuz-Kontamination zwischen dem Teil und der Form erschwert. Weiterhin kann die Anwendung einer Last oder einer ähnlichen Zwangskraft auf die Oberfläche eines keramischen Teils während des Ausbrennens des organischen Bindemittels das Entweichen von flüchtigen Stoffen einschränken, wodurch unvollständiges Ausbrennen und/oder Verformung verursacht wird.
US-Patentanmeldung, Aktenzeichen Nr. 07/466 934, WO 91/10630, offenbart ein Verfahren zum Sintern unter Zwang, das das Entweichen von flüchtigen Stoffen während des Ausbrennens des organischen Bindemittels erlaubt. Es wird eine Trennschicht auf die Oberfläche des ungebrannten keramischen Körpers aufgebracht. Anschließend wird ein Gewicht auf der Trennschicht angeordnet, um Schrumpfung in der X-Y-Richtung zu reduzieren. Die Trennschicht zwischen dem Gewicht und dem keramischen Körper stellt Pfade zum Entweichen der flüchtigen Stoffe bereit. Falls ein Verfahren eingeführt werden könnte, bei dem keramische Schaltungen unter Zwang gesintert werden könnten, ohne daß eine Form benötigt wird, ohne daß äußere Belastungen aufgebracht werden und ohne daß das Entweichen von flüchtigen Stoffen während des Ausbrennen eingeschränkt wird, und dabei doch noch weitgehendst die Ungewißheit über die Dimension in der fertigen Schaltung eliminiert ist, könnten Verfahrensstufen, die mit dem Brennen der Schaltung unter verminderter Schrumpfung verbunden sind, vereinfacht oder eliminiert werden. Der Vorteil wäre noch größer, wenn das Verfahren das gemeinsame Brennen von leitfähigen, metallischen Leiterwegen auf den äußeren Oberflächen der keramischen Schaltung erlauben würde.
Flaitz et al. (europäische Patentanmeldung 0 243 858) beschreibt drei Lösungsvorschläge, um die vorstehenden Schwierigkeiten zu umgehen. Bei dem ersten Lösungsvorschlag wird Zwang nur auf die äußeren Kanten (Peripherie) des Teils angewendet, wodurch ein offener Entweichungspfad für flüchtige Stoffe und ein Eintrittspfad für Sauerstoff bereitgestellt wird. Bei dem zweiten Lösungsvorschlag wird eine co-extensive Kraft auf die gesamte Oberfläche des zu sinternden Teils, entweder durch Anwendung co-extensiver poröser Platten oder durch Anwendung einer Luftlager-Kraft auf die Oberfläche oder Oberflächen des zu sinternden Teils, aufgebracht. Bei dein dritten Lösungsvorschlag wird eine Reibungskraft auf den sinternden Körper unter Verwendung von Kontaktbahnen, umfassend eine poröse Zusammensetzung, die während des Erhitzungszyklus nicht sintert oder schrumpft und welche jegliche Schrumpfung des Substrats verhindert, aufgebracht. Die Zusammensetzung der Kontaktbahnen ist derartig ausgewählt, daß sie während des Brennens porös bleiben, nicht an die Keramik anschmelzen, thermisch stabil sind, so daß sie während des Sinter-Zyklus nicht schrumpfen oder sich ausdehnen, und kontinuierliche mechanische Integrität/Festigkeit aufweisen. Die Kontaktbahnen behalten während des Sinter-Zyklus ihre Ausmaße bei, so daß die Schrumpfung des keramischen Teils eingeschränkt wird. Nach der Laminierung der Kontaktbahnen auf den zu sinternden Gegenstand, findet Sintern ohne Anwendunng von zusätzlichen Gewichten statt.

EPO 87 105 868.1 von Flaitz et al.:

Das Patent bezieht sich auf ein Sinter-Verfahren unter Zwang, welches eine Zwangskraft in der Z-Richtung verwendet, um X-Y- Deformation, Ausbauchung und Schrumpfung während des Brennens eines keramischen MLC-Substrats zu vermeiden. Vor dem Brennen werden poröse, steife, ungebrannte, keramische, thermisch stabile Kontaktbahnen auf die Oberflächen keramischer Gegenstände laminiert, um physikalisch das Schrumpfen der Keramik ohne die Anwendung von zusätzlichem Druck einzuschränken. Die Kontaktbahnen behalten ihre mechanische Integrität und Dimensionsstabilität während des Sinter-Zyklus bei, und die Kontaktbahnen werden von der Substratoberfläche durch Abschleifen oder Abkratzen entfernt.

US 4 521 449 von Arnold et al.:

Das Patent lehrt die Verwendung einer dielektrischen Schicht aus keramischem Material, um das Sintern von grünen Keramikbahnen zu erleichtern, die Oberflächen-Kontaktlöcher und Anschlußflächen enthalten, die durch ausgekerbte Leitungen verbunden sind und mit einer leitfähigen Metallpaste gefüllt sind. Nach dem Brennen werden die Komponenten mit einem geeigneten Metall beschichtet, um sie Lötmittel-benetzbar für elektrischen Anschluß zu machen. Die Erfinder erkennen die Notwendigkeit für eine Nach-Metallisierung, um die bedeutsame Substrat-Schrumpfung (17%) und Deformation, die für gebranntes keramisches Material typisch ist, anzupassen.

US 4 340 436 von Dubetsky et al.:

Dieses Patent offenbart die Überlagerung einer inerten, coextensiven, nichthaftenden, entfernbaren, leichtgewichtigen, planaren Platte auf ein grünes Glaskeramik-Laminat, um seitliche X-Y-Schrumpfung und Deformation einzuschränken, wenn das Glas die Koaleszenz-Temperatur während des Brennens erreicht hat. Die Erfinder berichteten, daß Plattendrücke von etwa 0,012 bis etwa 0,058 lbs/in² über dem Laminat verbesserte Ebenheit und seitliche Dimensions-Tntegrität erzeugten.
Gemäß ihrem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur starken Verminderung der X-Y-Schrumpfung während des Brennens eines keramischen Körpers umfassend die aufeinanderfolgenden Stufen des
a) Bereitstellens eines ungebrannten keramischen Körpers umfassend eine Zumischung aus fein verteilten Teilchen keramischer Feststoffe und sinterfähigem anorganischem Bindemittel, die in einem verdampfbaren, festen polymeren Bindemittel dispergiert sind;
b) Anwendens einer flexiblen Zwangsschicht auf eine Oberflache des ungebrannten keramischen Körpers, so daß die Zwangsschicht genau dem ungebrannten keramischen Körper angepaßt ist, wobei die Zwangsschicht fein verteilte Teilchen aus nichtmetallischen anorganischen Feststoffen umfaßt, die in einem verdampfbaren polymeren Bindemittel dispergiert sind, wobei die Penetration des sinterfähigen anorganischen Bindemittels des keramischen Körpers in die Zwangsschicht nicht mehr als 50 um beträgt;
c) Brennens der Ansammlung bei einer Temperatur und während einer Zeitspanne, die ausreichend ist, um eine Verflüchtigung des polymeren Bindemittels aus sowohl dein keramischen Körper als auch der Zwangsschicht zu bewirken, Ausbildens miteinander verbundener Porosität in der Zwangsschicht und Sinterns des anorganischen Bindemittels in dem keramischen Körper;
d) Abkühlens der gebrannten Ansammlung, und
e) Entfernens der porösen Zwangsschicht von der Oberfläche des gesinterten keramischen Körpers.
Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen keramischen Verbund-Körper, der durch Brennen eines Grünkörpers erhalten wird, umfassend ein keramisches Band, das eine Zumischung aus fein verteilten Teilchen keramischen Feststoffen und sinterfähigem anorganischen Bindemittel umfaßt, die in einem verdampfbaren, festen polymeren Bindemittel dispergiert sind, und der an einer Oberfläche desselben eine flexible Zwangsschicht angebracht und genau angepaßt aufweist, die fein verteilte Teilchen aus nichtmetallischen anorganischen Feststoffen in einem verdampfbaren festen polymeren Bindemittel dispergiert umfaßt.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung des ungebrannten keramischen Verbund-Bandes, umfassend die aufeinanderfolgenden Stufen des Aufbringens auf wenigstens eine Oberfläche eines ungebrannten keramischen Bandes einer Zwangsschicht, umfassend fein verteilte Teilchen von nichtmetallischen anorganischen Feststoffen, die in einem verdampfbaren organischen Medium, das festes polymeres Bindemittel in einem verdampfbaren organischen Lösungsmittel umfaßt, dispergiert sind, und Entfernen des organischen Lösungsmittels durch Verdampfung.
Die Zeichnungen bestehen aus sechs Figuren. Figur 1 ist eine schematische Darstellung der Anordnung der verschiedenen Komponenten der Erfindung vor dem Brennen, wobei eine Zwangsschicht an beiden seiten eines Substrats befestigt ist. Figur 2 ist eine schematische Darstellung der Anordnung der verschiedenen Komponenten der Erfindung vor dem Brennen, wobei eine Zwangsschicht an einer Seite eines Substrats befestigt ist und ein steifes Substrat an der gegenüberliegenden Seite des Substrats haftet. Figur 3 ist eine schematische Darstellung der Anordnung der verschiedenen Komponenten der Erfindung vor dem Brennen, wobei verschiedene keramische Teile in einem Monolith vereinigt sind, worin jeder Teil eine Zwangsschicht aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten haftet. Figur 4 ist eine schematische Darstellung der Delaminierung an der Keramik/Zwangsschicht-Grenzfläche, ohne Ausbuchten der Zwangsschicht. Figur 5 ist eine schematische Darstellung der Delaminierung an der Keramik/Zwangsschicht- Grenzfläche, mit Ausbuchten der Zwangsschicht. Figur 6 stellt eine graphische Beziehung der Penetration von anorganischem Bindemittel gegenüber der Bindemittel-Viskosität und dem Benetzungswinkel dar.
Der allgemeine Zweck der Erfindung ist es, ein neues und verbessertes Verfahren zur Verminderung der X-Y-Schrumpfung während des Brennens von keramischen Körpern bereitzustellen. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung dient der Herstellung von keramischen Mehrschichten-Schaltungen unter Verwendung üblicher leitender Metallisierungen, einschließlich Leitern, Widerständen und dergleichen und dielektrischen Bändern auf derartige Weise, daß die Schaltungseigenschafts-Dimensionen, die während des Kontaktloch-Stanzens und Druckens eingeführt wurden, im wesentlichen während des Brennens beibehalten werden. Das Verfahren der Erfindung ist deshalb wirtschaftlicher, weil viele Quellen für die Ungewißheit der Dimension in keramischen Teilen entfallen und viele Stufen der Schaltungs-Entwicklung und Herstellung, die notwendig sind, um Dimensionfehler und Lageungenauigkeiten zu vermeiden, eliminiert werden.
Während des Brennzyklus, nach der Verdampfung der organischen Bindemittel, unterliegen die anorganischen Komponenten des Bandes dem Sintern beim Erhitzen auf eine ausreichend hohe Temperatur. Während des Sinterns unterliegt das aus Teilchen bestehende, poröse Band Änderungen seiner Struktur, die für poröse fein-gekörnte, kristalline und nicht-kristalline Materialien üblich sind. Es erfolgt eine Zunahme der Korngröße, eine Änderung der Porenform und eine Änderung der Porengröße und -anzahl. Sintern bedingt üblicherweise eine Abnahme der Porosität und ergibt eine Verdichtung des teilchenförmigen Kompakts.
Von zentraler Bedeutung für die Erfindung ist die Verwendung einer flexiblen, keramischen Zwangsschicht, die auf die Oberfläche(n) der keramischen Schaltungsschichten aufgebracht wird. Die Zwangsschicht hat verschiedene Funktionen: (1) Sie stellt eine gleichförmige Kontaktschicht von hoher Reibung bereit, die wesentlich die Schrumpfung in der Ebene des sinternden Teils reduziert und (2) einen Pfad zum Entweichen der flüchtigen Komponenten des keramischen Bandes vor dem Sintern bereitstellt. In bestimmten Fällen erleichtert sie das gemeinsame Brennen von Metallisierungen an der obersten Oberfläche ohne daß dieselbe beschädigt wird.
Damit die Zwangsschicht in wirksamer Weise Schrumpfung in der Ebene des sinternden Teils vermindern kann, wird sie als eine flexible Schicht auf die Oberfläche(n) der ungebrannten keramischen Schaltungsschicht(en) aufgebracht. Die Flexibilität der Zwangsschicht befähigt die Schicht sich eng an die Topographie der ungebrannten keramischen Oberfläche(en) anzupassen. Laminierung der flexiblen Zwangsschicht auf die ungebrannte(n), keramisch(n) Oberfläche(n) kann angewendet werden, um die Zwangsschicht zu zwingen, sich noch enger, in Abhängigkeit von der Art des Aufbringens der Zwangsschicht, anzupassen. Z.B. kann die Zwangsschicht sprühbeschichtet, eintauchbeschichtet oder auf die ungebrannte Keramik in Form einer Dispersion gewalzt werden, oder sie kann als ein flexibles Band formuliert werden und auf die ungebrannte Keramik laminiert werden. Laminierung ist besonders zur Verminderung der Größe irgendwelcher Spalten (Risse) zwischen einer Zwangsschicht und der(den) Oberfläche(n) des keramischen Körpers wirksam.
Enges Anliegen der Zwangsschicht an das keramische Teil ist notwendig, um zu verhindern, daß sich die Zwangsschicht von dem keramischen Teil während des Sintern ablöst und sich abhebt. Während des Brennens, wenn das dielektrische Substrat zu schrumpfen beginnt, wird die Zwangsschicht durch die Inder-Ebene-Sinterspannung des dielektrischen Teils einem biaxialen Zusammendrücken ausgesetzt. Wenn die Druckspannung in der Zwangsschicht einen kritischen Punkt erreicht, löst sich die Zwangsschicht von dem sinternden dielektrischen Substrat ab und hebt sich ab. Das Problem des Abhebens, das für die Erfindung charakteristisch ist, kann durch Analyse von elastischen, laminierten Platten und Schalen nach dem teilweisen Aufheben der Bindung, die Druckbelastungen parallel zu den laminierten Schichten ausgesetzt werden, untersucht werden.
Das Abheben wurde ausführlich von S.P. Timoshenko und G.M. Geere, in Theory of Elastic Stabilty, 2. Auflage, McGraw Hill, New York (1961) analysiert. Spezifische Probleme des Abhebens in zusammengedrückten Filmen sind von A.G. Evans und J.W. Hutchinson in On the Mechanics of Delamination and Spalling in Compressed Films, Int. J. Solids Structures, Band 20, Nr. 5. Seiten 455-466 (1984) analysiert worden.
Das Problem des Abhebens kann für eine Dimension (Strahl), zwei Dimensionen (rechteckige oder quadratische Geometrie) und für kreisförmige Geometrie gelöst werden. Eine kreisförmige Geometrie ist am geeignetsten für die vorliegende Konfiguration und sie wird hier dargestellt. Das Problem betrifft einen einzigen Grenzflächen-Riß oder -einriß parallel zu den freien Oberflächen wie in Figur 4 gezeigt wird. Der Einriß wird durch eine kreisförmige Delaminierung des Radius a, welcher sich unter biaxialer Kompression o befindet, gezeigt. Wenn der Riß oder Einriß eine ausreichende Größe aufweist, unterliegt der Film oberhalb des Risses einem Abheben. Eine Grenzflächeneinriß oder Delaminierung parallel zu der freien Oberfläche stört nicht das Spannungsfeld, da das Spannungsfeld auch parallel zu der Oberfläche wirkt. So wird keine Spannungskonzentration oder Rißkante induziert. Wenn sich der Film von dem Substrat abhebt, wie in Figur 5 gezeigt wird, verteilt sich (d.h. konzentriert sich) die Abtrennung die Spannung an dem Umfang des Grenzflächenrisses aufs neue, was Rißausdehnung und Versagen durch Abheben induziert. Die Bedingungen an dem Grenzflächenriß umfassen eine Kombination aus Öffnungs- (Mode I) und Scher(Mode II)- Spannungen. In unserer Situation, in der der Film ein komprimiertes Pulver ist, werden, sobald das Abheben auftritt, die Scherkräfte an der Spitze des Risses schnell das Versagen des Pulverfilins verursachen, da das Pulver sehr schwach bezüglich Scherung und Zugspannung ist.
Der Film (Zwangsschicht) wird dem Abheben unterliegen, wenn die Kompressionsspannung die kritische Abhebungsspannung des Films übersteigt. Die geeignete, kreisförmige Lösung für den vorliegenden Fall setzt fixierte oder festgeklammerte Filmkanten voraus. Die kritische Abhebungsspannung c wird als
ausgedrückt, worin t die Dicke der Zwangsschicht, a der Radius des Risses oder Einrisses ist, k = 14,68 für eine eingeklammerte Kante (k ist ein numerischer Faktor, bestimmt aus der Bessel-Funktion, die verwendet wird, um die anfängliche Differentialgleichung zu lösen, die für kreisförmige Geometrie geeignet ist); E ist der Young-Modul der Zwangsschicht und ist das Poisson-Verhältnis. Gleichung (1) zeigt, daß Abheben während des Verfahrens erfolgt, wenn ein Riß oder Einriß von einer kritischen Größe an der Grenzfläche zwischen der Zwangsschicht und dem zu sinternden Teil vorliegt. Gleichung (1) zeigt ebenfalls, daß die Dicke t und Modul E der Zwangsschicht zur Bestimmung der kritischen Abhebungsspannung wichtig sind.
In der Praxis können Einrisse während des Aufbringens der Zwangsschicht auf das Substrat des keramischen Körpers und während des Aufheizens gebildet werden. Wenn die Zwangsschicht nicht flexibel genug ist, um sich dicht an die Topographie der keramischen Leiterschicht(en) anzulegen oder wenn die Aufbringungsverfahren nicht optimiert sind, um enges Anliegen der Zwangsschicht an die Topographie der keramischen Leiterschicht(en) zu gewährleisten, dann kann ein Riß oder Einriß an der Zwangsschicht/keramischen Leiter-Grenzfläche gebildet werden. Während des Aufheizens können Einrisse durch Wärmeausdehnungs-Ungleichförmigkeiten zwischen der Zwangsschicht und dem keramischen Schaltungs-Substrat gebildet werden. Wärmeausdehnungs-Risse, die nicht parallel zu der Zwangsschicht/Substrat-Grenzfläche sind, bewirken zusätzliche Anhäufungen von Spannungen. Wärmeausdehnungs-Effekte (Risse, usw.) können zuweilen durch Anwendung einer Zwangsschicht, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizient als das Substrat hat, so daß die Zwangsschicht in eine planare Kompression während des Aufheizens gebracht wird, eliminiert oder vermindert werden.
Um das Entfernen der Zwangsschicht nach dem Brennen zu erleichtern, muß das Glas aus dem keramischen Teil, das gebrannt wird, während des Verfahrens nicht sehr stark in die Zwangsschicht eindringen oder mit ihr in Wechselwirkung stehen. Übermäßige Penetration des Glases in die Zwangsschicht verhindert wahrscheinlich das Entfernen der Zwangsschicht aus dem Teil, das gebrannt wird, und beeinflußt wahrscheinlich negativ die Eigenschaften des keramischen Substrats, wenn eine große Menge des Zwangsmaterials an dem endgültig gebrannten Teil anhaftet. Bei der Auswahl einer Glas-Zusammensetzung für das Dielektrikum, sollten zwei allgemeine Notwendigkeiten berücksichtigt werden. Erstens sollte das Glas in dem dielektrischen Substrat den Anforderungen an Nichtleiter (d.h. Dielektrizitätskonstante, hermetische Abgeschlossenheit, Sinterfähigkeit, usw.) genügen und zweitens sollte die Zusammensetzung des Glases derartig sein, daß Glas-Penetration in die Zwangsschicht verhindert wird. Die Verhinderung der Penetration wird teilweise durch Einstellen von Variablen wie Glas-Viskosität, Benetzungswinkel, usw., wie nachstehend diskutiert werden wird, gesteuert.
Eine Analyse des Fließens einer Flüssigkeit in poröse Medien kann verwendet werden, um die Glas-Penetrationsphänomene zu untersuchen und um das Verfahren aufzuklären. Die Analyse kann als ein Leitfaden zur Auswahl sowohl der Glas- Zusammensetzung als auch der Zwangsschicht-Zusammensetzung in Verbindung mit den Glas-Anforderungen, die wie oben aufgeführt für den Nichtleiter spezifiziert sind, verwendet werden. In der folgenden Analyse ist das poröse Medium die Zwangsschicht und die Flüssigkeit ist das Glas in der zu brennenden Keramik.
Die Analyse wurde auf der Basis von Darcy's Gesetz entwikkelt, um die Penetration viskoser Fluide in poröse Betten vorherzusagen - und insbesondere im in Übereinstimmung mit der Erfindung -, wobei die Geschwindigkeit der Penetration dl/dt von organischem Bindemittel in die Zwangsschicht definiert ist durch:
dl/dt = DΔP/ηLl (2),
worin D die Permeabilität des porösen Mediums, ΔP der Antriebsdruck für die Penetration, l die Länge der Penetration der Flüssigkeit in das Medium zur Zeit t und ηL die Viskosität der Flüssigkeit ist.
Gleichung (2) gilt, wenn wir den Gradienten des Druckes in Bezug auf die Penetrationsrichtung P als nahezu angenähert der Druckänderung gegenüber der Penetrationsentfernung, oder ΔP/l annehmen.
Unter Berücksichtigung des Radius r der Porenkanäle in dem porösen Medium, zeigen Kozeny und Carmen in A.E.Scheidegger, The Physics of Flow Through Porous Media, The Macmillan Co. (1960), Seiten 68-90, daß Permeabilität D ausgedrückt werden kann als:
D = r²(1- )/20 (3),
worin = B/ T die relative Dichte des porösen Mediums ist, B die scheinbare Dichte und T die theoretische Dichte ist.
ΔP ist der Antriebsdruck, der so wirkt, daß er die Flüssigkeit in das poröse Medium zwängt, und welche definiert ist als:
worin 2γLVcosΘ/r der Kapillarendruck, Pa jede äußere Druckdifferenz (d.h. äußerlich angewendete Belastung), γLV die Flüssig-Dampf-Oberflächenenergie und cos Θ der Fest-Flüssig- Kontaktwinkel ist.
Unter Einsetzten der Gleichungen (3) und (4) in Gleichung (2) und Integration der substituierten Gleichung, erhält man:
Da keine äußerlich aufgebrachte Belastung Pa in der Gleichung (5) verwendet wird, kann Gleichung (5) wie folgt ausgedrückt werden:
Für einen gegebenen Körper unter einem konstanten Antriebsdruck ist die Tiefe der Penetration der Quadratwurzel der Zeit proportional. Verschiedene Methoden zur Ableitung der Gleichung (6) sind in der Literatur angegeben. In der vorliegenden Erfindung ist das poröse Medium die Zwangsschicht und die viskose Flüssigkeit ist das Glas in dem zu brennenden Substrat. In der Praxis können die Viskosität des Glases, der Kontaktwinkel des Glases auf das Zwangsschicht-Material, Porosität und Porenradius der Zwangsschicht, zusammen mit der Zeit, eingestellt werden, um einen erwünschten Penetrationsgrad zu ergeben. Es kann auch erwünscht sein, daß die Flüssigkeit/Dampf-Oberflächenenergie durch Sintern in mehr oder weniger reaktiven Atmosphären modifiziert ist. Figur 6 ist eine Auftragung der Penetartion als eine Funktion der Glasflüssigkeits-Viskosität (ηL) für verschiedene Kontakt winkel bei t=30 min. Radius (r), Dichte der porösen Schicht (1- ) und Flüssigkeit/Dampf-Oberflächenenergie (γLV) können auch verwendet werden, um die Penetration wie oben erwähnt zu beeinflussen.
Wie durch die Gleichung (6) und durch die in Figur 6 angegebene Beziehung gezeigt wird, kann die Penetration aus der Viskosität und dem Kontaktwinkel des anorganischen Bindemittels vorhergesagt werden, und sie kann so durch Einstellung dieser zwei Variablen gesteuert werden. Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Penetration" auf den Penetrationswert der sinterfähigen anorganischen Bindemittel-Komponente des ungebrannten keramischen Körpers wie er durch die oben beschriebene Korrelationsmethode bestimmt wird.
Die Zwangsschicht umfaßt fein verteilte Teilchen aus nichtmetallischen anorganischen Feststoffen, die in verdampfbare organischen Medium durch Standard-Gießverfahren für keramisches Band dispergiert sind. Die geringe Sintergeschwindigkeit und/oder hohe Sintertemperatur der anorganischen Feststoffe in der Zwangsschicht bewahrt die miteinander verbundene Porosität in der Schicht als einen Pfad bei, um Flüchtiges und andere Gase aus sowohl dem zu brennnenden keramischen Teil als auch der Zwangsschicht zu entfernen. Ein Sintertemperatur-Differential von wenigstens 50ºC ist angemessen. Die Ansammlung wird bei einer Temperatur und während einer Zeitspanne gebrannt, die ausreichend sind, um die organischen Bindemittel aus sowohl der Zwangsschicht als auch dem keramischen Band zu verdampfen und um das anorganische Bindemittel in dem Band zu sintern. Zwangssintern, wobei äußerer Druck auf einen keramischen Körper während des Brennens über Last tragende Preßstempel angewendet wird, kann nicht in üblichen Förderbandöfen angewendet werden. Demgegenüber kann, da äußerer Druck in dem vorliegenden Verfahren entfällt, gebräuchliche Brenn-Ausrüstung wie Förderbandöfen verwendet werden. Nach dem vollständigen Sintern der keramischen Bandschichten, wird die Anordnung abgekühlt. Die Zwangsschicht kann anschließend von der Oberfläche des fertigen Teils durch ein Verstauben oder durch Ultraschallbehandlung ohne Beeinflussung oder Schädigung sowohl der keramischen Oberfläche des Teils als auch der leitfähigen Pfade entfernt werden.
Während des Sinter-Verfahrens, nach der Verdampfung der organischen Bindemittel aus der Zwangsschicht und des zu sinternden keramischen Körpers, besteht die Zwangsschicht aus einer Schicht anorganischen Pulvers. Anwendung der Zwangsschicht in Form eines flexiblen Bandes vor dem Brennen, gewährleistet, daß die lose Pulverschicht gleichmäßig über die Oberfläche des keramischen Teils verteilt wird, und daß die Zwangsschicht sich eng an die Oberfläche des gebrannten Körpers anlegt.

Keramische Feststoffe

Dielektrische Substrate umfassen typischerweise sinternde (Bindemittel)- und nichtsinternde (keramischer Feststoff)- Phasen. Die Zusammensetzung der keramischen Feststoffe in einem dielektrischen Körper, die in der Erfindung verwendet werden kann, ist nicht selbst dielektrisch kritisch, so lange wie die Feststoffe in Hinblick auf die anderen Materialien in dem System chemisch inert sind, und sie die geeigneten physikalischen Eigenschaften in Bezug auf die anorganische Bindemittel-Komponente des dielektrischen Körpers haben. Die nichtsinternden Feststoffe werden im wesentlichen als ein Füllstoff zugegeben, um Eigenschaften wie Wärmeausdehnung und Dielektrizitätskonstante anzupassen.
Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften, die für die keramischen Feststoffe in dem dielektrischen Körper wesentlich sind, sind (1), daß sie Sintertemperaturen oberhalb der Sintertemperaturen des anorganischen Bindemittels haben, und (2), daß sie keinem Sintern während der Brennstufe der Erfindung unterliegen. So bezieht sich gemäß der Erfindung der Ausdruck "keramische Feststoffe" auf anorganische Materialien, üblicherweise Oxide, die im wesentlichem keinem Sintern unter den Bedingungen des Brennens, dem sie in der Praxis der Erfindung unterworfen werden, unterliegen.
So kann gemäß den obigen Kriterien tatsächlich jeder hochschmelzende anorganische Feststoff als keramische Feststoff-Komponente des dielektrischen Bandes verwendet werden. Z.B. solche Materialien wie BaTiO&sub3;, CaTiO&sub3;, SrTiO&sub3;, PbTiO&sub3;, CaZrO&sub3;, BaZrO&sub3;, CaSnO&sub3;, BaSnO&sub3;, Al&sub2;O&sub3;, Metallcarbide wie Siliciumcarbid, Metallnitride wie Aluminiumnitrid, Mineralien wie Mullit und Kyanit, Zirconiumdioxid und verschiedene Arten von Siliciumdioxid. Selbst Gläser mit hohem Erweichungspunkt können als die keramische Komponente verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie ausreichend hohe Erweichungspunkte haben.
Weiterhin können Mischungen derartiger Materialien verwendet werden, um die Wärmeausdehnungs-Eigenschaften irgendeines Substrats, auf das sie aufgebracht werden, anzupassen.

Anorganisches Bindemittel

Die Zusammensetzung des anorganischen Bindemittels, die in den keramischen Körpern zum Gebrauch in der Erfindung verwendet werden kann, ist selbst auch nicht direkt kritisch, so lange sie chemisch inert in Bezug zu den anderen Materialien in dem System ist und sie die geeigneten physikalischen Eigenschaften in Bezug zu den keramischen Feststoffen in dem keramischen Körper und den nichtmetallischen Feststoffen in der Zwangsschicht hat.
Insbesondere ist es wesentlich, daß die Penetration der anorganischen Bindemittel-Komponente des keramischen Körpers in die Zwangsschicht während des Brennens nicht 50 um und vorzugsweise nicht 25 um übersteigt. Wenn die Penetration etwa 50 um übersteigt, wird die Entfernung der Zwangsschicht wahrscheinlich schwierig. Obwohl die Erfindung nicht auf diese Temperaturen beschränkt ist, wird das Brennen üblicherweise bei einer Spitzentemperatur von 800-950ºC durchgeführt, wobei die Spitzentemperatur wenigstens 10 Minuten beibehalten wird.
Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften, die für das anorganische Bindemittel in dem keramischen Körper zum Gebrauch in dem Verfahren der Erfindung bevorzugt sind, sind (1), daß es eine Sintertemperatur unterhalb der der keramischen Feststoffe in dem Körper hat, (2), daß es viskosem Phasensintern bei den verwendeten Brenntemperaturen unterliegt, und (3), daß der Benetzungswinkel und die Viskosität des anorganischen Bindemittels derartig sind, daß es nicht wesentlich in die Zwangsschicht während des Brennens eindringt.
Die Benetzungs-Eigenschaften des anorganischen Bindemittels, gewöhnlich eines Glases, werden durch Messen des Kontaktwinkels des gesinterten anorganischen Bindemittels auf einer ebenen, planaren Oberfläche der in der Zwangsschicht enthaltenen anorganischen Feststoffe bestimmt. Diese Verfahrensweise wird nachstehend beschrieben.
Es wurde festgestellt, daß, wenn das anorganische Bindemittel einen Kontaktwinkel von wenigstens 60º aufweist, es für die Anwendung in der Erfindung ausreichend benetzend wirkt. Trotzdem wird es bevorzugt, daß der Kontaktwinkel des Glases wenigstens 70º beträgt. Gemäß dem Verfahren der Erfindung sind, je größer der Kontaktwinkel ist, die Entfernungseigenschaften der Zwangsschicht umso besser.
Wenn, wie üblicherweise, die anorganische Bindemittel-Komponente des keramischen ungebrannten Bandes ein Glas ist, kann es sowohl ein kristallisierendes Glas als auch ein nichtkristallisierendes Glas unter den Brennbedingungen sein.
Die Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung des anorganischen Bindemittels sind gleicherweise nicht streng kritisch, und die Teilchen werden üblicherweise zwischen 0,5 und 20 um groß sein. Es wird jedoch bevorzugt, daß der 50%-Punkt des anorganischen Bindemittels, der als gleiche Gewichtsteile sowohl an größeren als auch kleineren Teilchen definiert ist, gleich oder geringer als der der keramischen Feststoffe ist. Die Sintergeschwindigkeit steht in direkter Beziehung zu dem Verhältnis aus anorganischem Bindemittel zu keramischen Feststoffen und in umgekehrter Beziehung zu der Glasübergangstemperatur (Tg) und der Teilchengröße des anorganischen Bindemittels.

Polymeres Bindemittel

Das organische Medium, in dem das Glas und feuerfeste anorganische Feststoffe dispergiert sind, umfaßt polymeres Bindemittel, wobei gegenbenenfalls darin andere Materialien gelöst sind wie Weichmacher, Trennmittel, Dispergiermittel, Abziehhilfsmittel, fäulnißverhütende Mittel und Netzmittel.
Zur Erreichung von besserer Bindungswirksamkeit, bevorzugt man, wenigstens 5 Gew.-% polymeres Bindemittel auf 95 Gew.-% keramische Feststoffe zu verwenden. Es wird jedoch weiterhin bevorzugt, nicht mehr als 20 Gew.-% polymeres Bindemittel auf 80 Gew.-% keramische Feststoffe zu verwenden. Innerhalb dieser Grenzen ist es wünschenswert, die geringst mögliche Menge an Bindemittel gegenüber Feststoffen zu verwenden, um die Menge an organischen Stoffen zu vermindern, die durch Pyrolyse entfernt werden müssen, und um bessere Teilchenpackung zu erhalten, die verminderte Schrumpfung beim Brennen ergibt.
Bisher wurden verschiedene polymere Materialien als das Bindemittel für keramische Bänder verwendet, z.B. Poly(vinylbutyral), Poly(vinylacetat), Poly(vinylalkohol), Cellulose-Polymere wie Methylcellulose, Ethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Methylhydroxyethylcellulose, ataktisches Polypropylen, Polyethylen, Silicium-Polymere wie Poly(methylsiloxan), Poly(methylphenylsiloxan), Polystyrol, Butadien/Styrol-Copolymere, Poly(vinylpyrolidon), Polyamide, Polyether von hohem Molekulargewicht, Copolymere aus Ethylenoxid und Propylenoxid, Polyacrylamide und verschiedene Acryl- Polymere wie Natrium-Polyacrylat, Poly(niederalkylacrylate), Poly(niederalkylmethacrylate) und verschiedene Copolymere und Multipolymere von Nieder-Alkylacrylaten und -methacrylaten. Copolymere aus Ethylmethacrylat und Methylacrylat und Terpolymere aus Ethylacrylat, Methylmethacrylat und Methacrylsäure wurden bereits vorhergehend als Bindemittel für Materialien für Schlickergießen verwendet.
Vor kurzem hat Usala in US 4 536 535 ein organisches Bindemittel offenbart, das eine Mischung aus kompatiblen Multipolymeren aus 0-100 Gew.-% C&sub1;&submin;&sub8;-Alkylmethacrylat, 100-0 Gew.-% C&sub1;&submin;&sub8;-Alkylacrylat und 0-5 Gew.-% ethylenisch ungesättigter Aminocarbonsäure ist. Da die Polymeren die Verwendung von minimalen Mengen Bindemittel und maximalen Mengen an dielektrischen Feststoffen erlauben, wird ihre Anwendung bei der dielektrischen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Aus diesem Grund wird die Offenbarung des oben erwähnten Usala-Patents als Referenz hierin miteingeschlossen.
Häufig kann das polymere Bindemittel auch eine geringe Menge, in Bezug auf das Bindemittel-Polymer, eines Weichmachers enthalten, der dazu dient, die Glasübergangstemperatur (Tg) des Bindemittels zu erniedrigen. Die Auswahl der Weichmacher ist natürlich vor allem durch das Polymer, welches modifiziert werden muß, bestimmt. Unter den Weichmachern die in verschiedenen Bindemittelsystemen verwendet wurden, sind Diethylphthalat, Dibutylphthalat, Dioctylphthalat, Butylbenzylphthalat, Alkylphosphate, Polyalkylenglycole, Glycerin, Poly(ethylenoxide), hydroxyethyliertes Alkylphenol, Dialkyldithiophosphonat und Poly(isobutylen). Von diesen wird Butylbenzylphthalat am häufigsten in acrylischen Polymer-Systemen verwendet, da es in relativ kleinen Konzentrationen auf wirksame Weise verwendet werden kann.

Bandherstellung

Ungebrannte Bänder werden durch Gießen einer Aufschlämmung der dielektrischen Teilchen und des anorganischen Bindemittels, das in einer Lösung aus Bindemittelpolymer dispergiert ist, Weichmacher und Lösungsmittel auf einen Träger wie Polypropylen, Mylar -Polyester-Film oder rostfreiem Stahl, und anschließendem Einstellen der Dicke des gegossenen Films durch Hindurchführen der gegossenen Aufschlämmung unter ein Rakel hergestellt. So können Bänder, die in der Erfindung verwendet werden, durch gebräuchliche Verfahren hergestellt werden, die ausführlicher in US 4 536 535 von Usala beschrieben sind.
Es sollte klar sein, daß die ungebrannten Bänder, die in dem Verfahren der Erfindung verwendet werden, häufig Kontaktlöcher zur elektrischen Zusammenschaltung von Schichten, Bezugslöcher und andere Perforationen enthalten, um Vorrichtungen und Chip-Haftung anzupassen. Nichtsdestoweniger wurde gefunden, daß das Verfahren zur Reduzierung der X-Y-Schrumpfung wirksam bleibt, selbst wenn das Band keine derartigen Perforationen enthält.
In einigen Fällen kann das Band Füllstoffe enthalten wie keramische Fasern, um dem gebrannten Band spezielle Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit oder Zugfestigkeit zu verleihen. Obwohl die Erfindung primär im Zusammenhang mit dem Brennen von keramischen Körpern, hergestellt aus Schichten von keramischem Band, entwickelt und oben beschrieben wurde, soll klar sein, daß die Erfindung auch verwendet werden kann, um X-Y-Schrumpfung während des Brennens von ungleichmäßig geformten, nichtplanaren Gegenständen, wie gegossenen oder geformten Teilen, zu reduzieren.

Zwangsschicht

Die Zwangsschicht für die Anwendung gemäß dem Verfahren der Erfindung umfaßt nichtmetallische Teilchen, die in einem festen organischen Polymer-Bindemittel dispergiert sind. Wie vorstehend erwähnt wurde, wird es bevorzugt, daß die nichtmetallischen Teilchen in der Zwangsschicht eine geringere Sinter-Geschwindigkeit als das anorganische Bindemittel des Substrats, das bei den Brennbedingungen gebrannt wird, haben und daß der Benetzungswinkel des anorganischen Bindemittels auf das Zwangsmaterial und die Viskosität des anorganischen Bindemittels derartig sein sollen, daß Bindemittel-Penetration in die Zwangsschicht innerhalb der oben angegebenen Grenzen liegt. So ist die Zusammensetzung der Komponente der anorganischen Feststoffe der Zwangsschicht gleicherweise nicht kritisch, so lange wie die oben erwähnten Kriterien eingehalten werden. So kann jedes nichtmetallische anorganische Material verwendet werden, so lange es keinem Sintern während des Brennend unterliegt und so lange der Benetzungswinkel des anorganischen Bindemittels in dem gebrannten kerämischen Körper (Teil) auf das Zwangsband und die Viskosität des anorganischen Bindemittels in dem keramischen Körper innerhalb der bevorzugten Grenzen für die Penetration von anorganischen Bindemittel in die Zwangsschicht liegen, wenn das anorganische Bindemittel einem Sintern während des Brennvorganges unterliegt. Obwohl die anorganischen nichtmetallischen Feststoffe, die in der Zwangsschicht verwendet werden, die gleichen sein können wie die, die in dem keramischen Körper verwendet werden, werden Mullit, Quarz, Al&sub2;O&sub3;, CeO&sub2;, SnO&sub2;, MgO, ZrO&sub2;, BN und deren Mischungen bevorzugt. Jedoch können glasartige Materialien verwendet werden, vorausgesetzt, daß ihre Erweichungspunkte ausreichend hoch sind, so daß sie keinem Sintern unterliegen, wenn sie gemäß der Erfindung gebrannt werden.
Die Zwangsschicht kann in Form eines flexiblen Bandes, einer Dickfilmpaste, durch Sprühen, Eintauchen, Walzen, usw. aufgebracht werden. Unabhängig von der Form, durch die die Schicht aufgebracht wird, ist es wesentlich, daß die Schicht flexibel ist, um enges Anliegen an die Oberfläche des keramischen Körpers zu erhalten, um die Größe irgendwelcher Spalten (Einrisse) an der Zwangsschicht/keramischen Körper-Grenzfläche zu reduzieren und vorzugsweise zu minimieren, und den kritischen Spannungswert an der Grenzfläche zu erhöhen. Allgemein werden die gleichen Bindemittel-Polymere, die für das ungebrannte keramische Band geeignet sind, für die Zwangsschicht geeignet sein, wenn dieselbe als ein Band aufgebracht wird.
Wie sie hierin verwendet werden, bziehen sich die Ausdrücke "Dickfilm" und "Dickfilmpaste" auf Dispersionen aus fein verteilten Feststoffen in einem organischen Medium, wobei die Dispersionen von Pasten-Konsistenz sind und eine Rheologie aufweisen, die sie befähigt, durch gebräuchlichen Siebdruck aufgebracht zu werden. Andere Dispersionen, die eine Konsistenz und Rheologie haben, die zum Aufsprühen, Eintauchen oder Walzenbeschichten geeignet ist, können ebenfalls verwendet werden. Die organischen Medien für derartige Pasten umfassen gebräuchlicherweise flüssiges Bindemittel-Polymer und verschiedene rheologische Reagenzien, die in einem Lösungsmittel gelöst sind, die alle während des Brennvorgangs vollkommen pyrolisierbar sind. Derartige Pasten können entweder Widerstandseigenschaft oder leitfähige Eigenschaften, in einigen Fällen sogar dielektrische Eigenschaften haben. Dertige Zusammensetzungen können gegebenenfalls ein anorganisches Bindemittel, in Abhängigkeit davon, ob die funktionellen Feststoffe während des Brennens gesintert werden oder nicht, enthalten. Gebräuchliche organische Medien des in Dickfilmpasten verwendeten Typs sind auch für die Zwangsschicht geeignet. Eine ausführlichere Diskussion über Materialien geeigneter anorganischer Medien kann in US 4 536 535 von Usala gefunden werden.
Um die Bildung der miteineinander verbundenen Porosität in der Zwangsschicht zu gewährleisten, damit ein Entweichungspfad für Polymer-Zersetzungsprodukte bereitgestellt werden kann, müssen die Poren-Entweichungskanäle (Hohlraum- oder Porenstruktur) zwischen den einzelnen Teilchen in der Zwangsschicht ausreichend groß sein und während des Aufheizens geöffnet bleiben. Damit die Porenkanäle während des Aufheizens geöffnet bleiben, muß - wie vorstehend diskutiert wurde - die Sinterungsgeschwindigkeit des Zwangsschicht- Materials geringer sein als die Sinterungsgeschwindigkeit des gebrannten keramischen Teils. Die Porenstruktur in der Zwangsschicht wird durch die charakteristische Teilchen- Anordnung oder -Ansammlung in der Schicht bestimmt. Die Anordnung der Packung der Teilchen in der Schicht wird durch verschiedene Faktoren beeinflußt, einschließlich: der Volumenfraktion der Feststoffe, der Feststoff-Teilchengröße, -Größenverteilung und -Form, dem Dispersionsgrad der Teilchen beim anfänglichen Gießen, der Trocknungseigenschaften des Gusses, ob die Schicht durch Eintauchen oder Sprüh-Aufschlämmen aufgebracht wird, und wie die Schicht aufgebracht wird, beeinflußt. Darüber hinaus wird die Poren- oder Hohlraumstruktur in einer Band, Sprüh- oder Eintauchschicht, die eine polymere Matrix enthält, sehr wahrscheinlich nachdem das Polymer pyrolysiert ist, in der Schicht verschieden sein. Erinnert man sich an die vorhergehenden Bedingungen, so ist es möglich, Teilchen zu einer Schüttdichte von etwa 90 Vol.-% Feststoffen zu packen. Andererseits sollte eine niedrigere Grenze der Schüttdichte von etwa 10 Vol.-% Feststoffen praktizierbar sein, um genügend große Porenkanäle, ohne starken Abbau der XY-Druckspannungs-Fähig-keit der Schicht und ohne bedeutende Penetration des Glases in die Schicht, bereitzustellen.

Verfahrensvariable

Eine wesentliche Eigenschaft des Verfahrens der Erfindung ist die, daß die Zwangsschicht eng an der Oberfläche des Substrats anliegt. Wenn die Zwangsschicht als eine biegsame Folie aufgebracht wird, kann enges Anliegen durch Laminieren der Folie an die ungebrannte dielektrische Band-Packung erreicht werden.
Der Brennzyklus für das Verfahren der Erfindung unterliegt den physikalischen Eigenschaften der Feststoffe, die in sowohl dem keramischen Körper als auch der Zwangsschicht enthalten sind, und er wird weiterhin begrenzt durch die Aufheizungsgeschwindigkeitsfähigkeit des Ofens oder Brennofens, in dem die Materialien gebrannt werden. Ein typischer ansatzweiser Ofenbrennzyklus, der für viele Anwendungen verwendet werden kann, besteht darin, die Ansammlung bei einer Geschwindigkeit von 3ºC pro Minute auf 600ºC, dann 5ºC pro Minute auf eine Spitzentemperatur von 850ºC aufzuheizen, 30 Minuten die Ansammlung bei der Spitzentemperatur beizubehalten, und dann die Ansammlung durch Abstellen des Ofens abzukühlen. Bei einer typischen handelsüblichen Installation werden die Brenneigenschaften der Materialien so ausgewählt, daß sie für die Leistungseigenschaften des verfügbaren Ofens oder Brennofens geeignet sind. Das Brennen kann natürlich durch sowohl ansatzweise, diskontinuierliche oder kontinuierliche Weise durchgeführt werden.
Nach der Vervollständigung des Brennens liegt die Zwangsschicht in Form einer trockenen, porösen Schicht vor, in der die Teilchen nur durch schwache van der Waals-Kräfte zusammengehalten werden, da während des Brennes das organische Bindemittel verdampft und die Teilchen in der Schicht nicht gesintert sind. Da die Schicht geringe Gesamtfestigket hat, kann sie durch Abbürsten leicht entfernt werden. Das Entfernen der gebrannten Zwangsschicht ist nichtsdestoweniger durch die Notwendigkeit sehr geringer mechanischer Energie gekennzeichnet, und sicherlich ist Abschleifen nicht notwendig, wie es für die Verfahren des Standes der Technik, bei denen Heißpressen verwendet wird, benötigt wird.
Die Erfindung wird häufig verwendet, um komplexere Mehrschichtenteile herzustellen, bei denen eine oder mehrere der dielektrischen Schichten ein Dickfilm-elektrisch- funktionelles-Muster, wie einen Widerstand oder leitfähige Leitungen oder beides, darauf gedruckt enthält. Wenn dies der Fall ist, können die dielektrisch und elektrisch funktionellen Schichten nacheinander gebrannt werden oder sie können zusammen gebrannt werden. Darüber hinaus können vielfache Teile vertikal in einem einzigen Monolith gestapelt und gemeinsam gebrannt werden. In einem derartigen Monolith liegt eine Zwangsschicht zwischen jedem Teil und auf der Ober- und Unterseite des Monoliths, so daß jedes Teil eine Zwangsschicht enganliegend an die obere und untere Keramik-Oberfläche, wie in Figur 3 gezeigt ist, aufweist. Beim Brennen von sowohl einem einzigen Mehrschichtenteil als auch von vielfachen Mehrschichtenteilen, die in einem Monolith angeordnet sind, müssen die Brenntemperatur-Profile und/oder die Komponenten der dielektrischen Schichten und elektrisch funktionellen Schichten in derartiger Weise ausgewählt werden, daß die organischen Medien aller Schichten vollständig verdampft und die anorganischen Bindemittel der entsprechenden Schichten gut gesintert werden. In einigen Fällen kann es notwendig sein, daß die leitfähige Phase der Dickfilm-Metallisierung ebenfalls gesintert wird. Die Auswahl der Komponenten, die die diesbezüglichen Eigenschaften aufweisen, ist natürlich dem Fachmann im Bereich der Dickfilmtechnik wohlbekannt.
Die Erfindung erlaubt auch das Brennen von Mehrschichtenteilen umfassend mehrfache dielektrische Band-Schichten und leitfähige Dickfilmpasten auf einem steifen vorgebrannten keramischen Substrat. Die Schichten dieser Teile können in einer Stufe gemeinsam oder nacheinander, wie oben diskutiert wurde, gebrannt werden, wobei ausgezeichnete X-Y-Dimensionsstabilität in den dielektrischen Schichten beibehalten wird.
Die Möglichkeit mehrfache Schichten aus dielektrischem Band auf einem steifen Substrat gemeinsam zu brennen ist aus verschiedenen Gründen attraktiv. Wenn das steife Substrat aus hochfestem Material wie Aluminiumdioxid besteht, stellt es einen mechanischen Träger bereit. Wenn das steife Substrat aus thermisch hochbeständigem leitfähigem Material wie AlN oder Berylliumdioxid besteht, stellt es ein Verfahren zum Entfernen von Wärme aus einer elektronischen Packung bereit. Steife Substrate, die aus anderen Materialien bestehen, wie Si oder anderen dielektrischen Materialien sind ebenfalls möglicherweise attraktiv. Die Möglichkeit, daß man mehrere Schichten gemeinsam brennen kann, reduziert auch Kosten durch Verminderung der Anzahl der Brennstufen.
Die Möglichkeit dielektrisches Band auf einem steifen Substrat gemeinsam brennen zu können, hat Vorteile gegenüber anderen Band-auf-Substrat-Verfahren (TOS), da der Mehrschichten-dielektrisches-Band-Anteil der Packung durch gebräuchliche Verfahren gebildet werden kann. Die dielektrischen Schichten werden geschnitten, mit Leitern oder anderen dielektrischen Materialien bedruckt, Kontaktlöcher werden gefüllt, Schichten gestapelt und durch gebräuchliche Mehrschichten-Technik laminiert. Dann wird die Zwangsschicht auf die Oberfläche des ungebrannten dielektrischen Bandes aufgebracht. Bei der Anwendung der Zwangsschicht in einer Bandform, was das bevorzugte Verfahren ist, wird die Zwangsschicht an der ausgesetzten Oberfläche des ungebrannten dielektrischen Bandes laminiert, so daß enger Kontakt und enge Anpassung zwischen dem dielektrischen Band und der Zwangsschicht erreicht wird. Das dielektrische Band, steifes Substrat und Zwangsschicht-Band können entweder in einer gemeinsamen Laminierstufe zusammen laminiert werden oder sie können aufeinanderfolgend laminiert werden. Bei dem aufeinanderfolgenden Laminieren werden die dielektrischen Bandschichten zuerst an das steife Substrat laminiert und dann wird das Zwangsschicht-Band auf das vorhergehend laminierte steife Substrat/dielektrische Band-Laminat laminiert. Bei der Co-Laminierung werden das steife Substrat, dielektrisches Band und Zwangsschicht-Band in einer Stufe laminiert. Wenn die Zwangsschicht in einer Pasten oder Spray-Form aufgebracht wird, sollen das dielektrische Band und das steife Substrat zuerst zusammen laminiert werden und dann wird das Zwangsschicht-Material in geeigneter Form aufgebracht. Andere Stapel- und Laminierverfahren sind möglich und dem Fachmann klar ersichtlich.
Nach dem Laminieren wird die Gesamtheit aus steifem Substrat, dielektrischer Bandpackung und Zwangsschicht in einer Stufe gemäß dem Verfahren gebrannt. Füllen von Kontaktlöchern ist keine Lösung bei diesem Verfahren.
Für Packungen, die aufeinanderfolgend gebrannt werden, soll der Verbund aus steifem Substrat, dielektrischem Band und Zwangsschicht wie oben beschrieben zusammengefügt und gebrannt werden, jedoch sollen dann zusätzliche Schichten aus dielektrischem Band zugefügt und an die bereits gebrannte Packung laminiert werden. In diesem Fall wirkt die vorher gebrannte steife-Substrat/dielektrische Band-Packung als das steife Substrat, auf welches das dielektrische Band und Zwangsschicht-Material aufgebracht werden, um zusätzliche Schichten aus dielektrischem Band aufzubauen.
Wärmeleitfähige steife Substrate und steife Substrate von hoher Festigkeit sind sehr attraktiv für Hybrid-Anwendungen. Eine attraktive Konfiguration zur Anwendung für integrierte Schaltungs-chips hoher Leistungsfähigkeit ist die, einen Hohlraum in das dielektrische Band zu machen, die Hohlraum- Konfiguration auf ein steifes AlN-Substrat gemäß der Erfindung miteinzubrennen und dann einen integrierten Schaltungs- Chip in den Hohlraum direkt auf AlN zu montieren. Ein Deckel soll dann über dem Hohlraum angebracht werden, um hermetisches Abschließen bereitzustellen. Das steife AlN-Substrat stellt einen mechanischen Träger bereit und bewirkt das Entfernen von Wärme aus der Packung. Das Konzept der Bereitstellung von Hohlräumen oder Wänden aus dielektrischem Material, in welche Chips montiert werden, ist attraktiv, da es das Niveau der Packungs-Integration erhöht.
Die Möglichkeit, Schichten aus dielektrischem Band auf einem steifen Substrat zusammen brennen zu können, wird durch die Wärmeausdehnungs-Ungleichheit zwischen dem steifen Substrat, dielektrischem Band und Zwangsschicht-Material begrenzt. Wenn die Wärmeausdehnungs-Ungleichheit zwischen den Materialien des laminierten Verbunds groß ist, können Defekte an der Grenzfläche zwischen den Materialien während des Erhitzens auftreten, die zur Buckelbildung führen. Außerdem erfordert das Verfahren für Hybrid-Anwendungen, daß wenigstens eine Seite des steifen Substrats flach (lanar) ist, so daß die Band-Schichten an der planaren Oberfläche befestigt werden können.

Detaillierte Beschreibung der Figuren des Systems

Drei Ausführungsformen der Erfindung werden in Figuren 1-3 gezeigt. Diese Ausführungsformen sind für Systeme der Erfindung illustrativ, nicht definitiv.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung der Komponenten des Verfahrens der Erfindung, in welcher eine flexible Zwangsschicht an beide Seiten eines keramischen Band-Teils befestigt ist.
Beide Seiten eines ungebrannten keramischen Bandteils 5 (mit oder ohne Metallisierung) werden mit flexiblen Zwangsschichten 3 und 3a laminiert, so daß die Zwangsschicht eng an die Oberfläche des Teils anliegt. Das derartig laminierte keramische Teil kann in einem gebräuchlichen Ofen durch Anordnen des Systems auf dem Ofenband 1 gebrannt werden.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung der Komponenten des Verfahrens der Erfindung, in welcher eine flexible Zwangsschicht nur an eine Seite eines keramischen Band-Teils befestigt ist.
Ein vorgebranntes keramisches Substrat 7 (mit oder ohne Metallisierung) und ein ungebranntes keramischen Bandteil (mit oder ohne Metallisierung) 5 werden ausgerichtet und zusammenlaminiert. Eine flexible Zwangsschicht 3 kann separat an die ausgesetzte Oberfläche des keramischen Bandteils 5 laminiert werden, oder als drei Komponenten, d.h. die Zwangsschicht 3, das Bandteil 5 und das vorgebrannte Substrat 7 können zusammenlaminiert werden. Das System wird dann in einem gebräuchlichen Ofen durch Anordnen des Systems auf einem Ofenband 1 gebrannt.
Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung der verschiedenen Komponenten der Erfindung, in der sich mehrfache (n) keramische Teile mit n+1 Zwangsschichten abwechseln, um einen Monolith zu bilden. In diesem System ist n gleich drei. Jedoch kann n irgendeine positive ganze Zahl sein.
Ungebrannte keramische Bandteile (mit oder ohne Metallisierung) 5a, 5b und 5c werden abwechselnd mit flexiblen Zwangsschichten 3a, 3b, 3c und 3d ausgerichtet. Das gesamte System kann zusammenlaminiert werden, oder es können Untersysteme laminiert werden, um das vollständige System zu bilden. Z.B. können keramisches Bandteil 5a und Zwangsschicht 3a laminiert werden. Zwangsschicht 3b und die anderen Schichten des Systems können dann wieder an das Untersystem laminiert werden. Alternativ kann ein Untersystem wie keramisches Bandteil 5a und Zwangsschicht 3a und 3 b ausgerichtet und laminiert werden. Ein zweites Untersystem wie keramisches Bandteil 5b und 5c und Zwangsschicht 3c und 3 d kann ausgerichtet und laminiert werden. Dann können das erste Untersystem und das zweite Untersystem ausgerichtet und laminiert werden. Nach dem Laminieren wird das System oder der Monolith in einem gebräuchlichen Ofen durch Anordnen des Monoliths auf Ofenband 1 gebrannt.

Beispiele

Beispiele 1-9

Die folgende Serie von Versuchen wurde durchgeführt, um zu zeigen, daß das Verfahren der Erfindung radiale Schrumpfung (d.h. X-Y--Schrumpfung) während des Brennens eliminiert und ein Mittel bereitstellt, um Mehrschichten-Packungen mit engen Dimensionstoleranzen herzustellen. Die Beispiele zeigen die präzise lineare Dimensionssteuerung, die durch das Verfahren bereitgestellt wird. In der Untersuchung gemessene Proben wurden aus Du Pont Green Tape (Dielektrizitätskonstante: etwa 6) hergestellt. Die verwendete Technik zur Messung linearer Dimensionsänderungen Während des Brennens wird ebenfalls zusammengefaßt.
Proben wurden durch Standard-Mehrschichten-DuPont Green Tape -Verarbeitungstechniken durch Schneiden von Roh- Schichten aus dielektrischem Band und Laminieren der Schichten unter niedriger Temperatur (z.B. 70ºC) und Druck [z.B. 207 bar (3000 psi)] hergestellt, um einen ungebrannten Monolith-Mehrschichtenkörper zu bilden. In einigen Fällen - wie nachstehend angegeben - wurden Metall-Leiterpasten durch Siebdruck auf die Bandschichten vor der Laminierung aufgebracht. In einigen Fällen wurden Schichten aus Zwangsband auf die Ober- und Unterseite des Mehrschichten-Stapels vor der Laminierung gegeben. In anderen Fällen wurden die dielektrischen Schichten zuerst ohne Zwangsschichten laminiert. In diesen Fällen wurden die Zwangsschichten zuerst einfach auf die Ober- und Unterseite der laminierten dielektrischen Schichten gegeben, und der gesamte Stapel wurde eine zusätzliche Zeitspanne lang laminiert, um die Zwangsschichten anhaften zu lassen.
Die 5,2 cm x 5,2 cm (2" x 2")-Proben der Beispiele 1 bis 5 in Tabelle 1 wurden aus acht ebenen 7,8 cm x 7,8 cm (3" x 3")- Rohlingen hergestellt. Für die Beispiele, in denen Metallisierung angegeben ist, wurden entweder zwei oder sechs der acht Schichten durch Siebdruck mit Du Pont 6142 Ag-Leiter- Metallisierung in einem Gitterschnitt-Testmuster bedruckt. Das Testmuster wurde entworfen, um ein Leitermuster hoher Dichte nachzubilden.
In Beispiel 5 wurde das Metall nur auf die Hälfte der Oberfläche jeder bedruckten Schicht aufgebracht. Vier Schichten von 76 um (3 mil)-dickem Zwangsband wurden sowohl auf die Ober- als auch die Unterseite jedes Stapels, umfassend insgesamt 16 Bandschichten, gegeben. Alle 16 Schichten wurden bei 207 bar (3000 psi) und 70ºC während 10 Minuten zusammenlaminiert. Die Proben wurden dann zu einer Größe von 5,2 cm x 5,2 cm (2" x 2") geschnitten. Die ungebrannten Zwangsschichtband/Schaltungs-Teile wurden auf ebenen, nichtporösen Aluminiumoxid-Einsätzen angeordnet und 1 Stunde bei 275ºC ausgebrannt. Ohne sie von den Einsätzen zu entfernen, wurden die Teile dann durch einen Förderbandofen geführt und bei 850ºC gesintert. Nach dem Abkühlen wurden die Zwangsschichten durch Verstauben entfernt.
Die 13 cm x 13 cm (5" x 5")-Proben der Beispiele 6 bis 9 in Tabelle 1 wurden aus acht ebenen 13 cm x 13 cm (5" x 5")- dielektrischen Rohlingen hergestellt. In den Beispielen 6 und 7 wurden drei Schichten aus Zwangsband zu sowohl der Oberals auch der Unterseite des Stapels vor der Laminierung gegeben. Die 14 Band-Schichten wurden dann bei den angegeben Drücken 10 Minuten bei 70ºC laminiert. In den Beispielen 8 und 9 wurden die acht dielektrischen Schichten zuerst allein bei jeweils 207 bar (3000 psi) und 69 bar (1000 psi) 5 Minuten bei 70ºC laminiert. Drei Schichten des Zwangsbandes wurden dann zu sowohl der Ober- als auch der Unterseite einer jeden gegeben und die aus 14 Schichten bestehenden Bandteile wurden ein zweites Mal weitere 5 Minuten bei 70ºC und 207 bar (3000 psi) laminiert.
Zu präzisen und genauen Messung von Dimensionsänderungen während des Brennens, die in Einklang mit den Toleranzen sind, die für Mehrschichten-Packungen erforderlich sind, wurde ein photolithographisches Verfahren unter Anordnen eines relativ hohen Auflösungsmusters von 25 bis 28 Au-Kreuzen mit 25,4 um (1 mil) Linienbreiten auf der Oberfläche der dielektrischen Roh-Bandschichten in einer einfachen Matrix verwendet. Die Matrix aus Kreuzen wurde mittels eines automatisch wandernden optischen Mikroskops vor und nach dem Brennen untersucht. Die Lokalisierungen der einzelnen Kreuze in der Matrix wurden digitalisiert und in einem Rechner-Speicher aufgezeichnet. Unter Verwendung des Rechners zur Steuerung einer genauen X-Y-Tabelle, wurde die Matrix abgebildet und es wurden die linearen Abstände zwischen einzelnen Kreuzen überall auf der Oberfläche einer Probe mit einer Genauigkeit von +/- 5 um (0,2 mil) berechnet. Es wurden insgesamt 300 bis 378 lineare Dimensionsänderungen für jede der neun Proben-Konfigurationen, die in Tabelle 1 aufgeführt sind, gemessen.
Tabelle 1 zeigt mittlere lineare Dimensionsänderungen Δl/lo, worin Δl die Änderung des linearen Abstandes zwischen zwei ausgewählten Gitterschnitten als ein Ergebnis des Brennens ist, und lo der anfängliche lineare Abstand zwischen ihnen ist. "Alternierend" bezieht sich auf die Orientierung der einzelnen Bandschichten innerhalb der Probe. Während des Rakel-Gießens haben die Teilchen eine Tendenz sich selbst in der Maschinen-Gießrichtung auszurichten, was, wie gezeigt wurde, Schrumpfung während des Brennens beeinflußt. So ist es oft erwünscht, die Gießrichtung der einzelnen Bandschicht zu wechseln, um Gießwirkungen zu minimieren. Tabelle 1 Beispiel Nr. Proben-Konfiguration Schrumpfung (Δl/lo) Standard-Abweichung Schichten, alternierend, kein Metall Schichten, nicht alternierend, kein Metall Schichten, alternierend, zwei Metall-Schichten Schichten, alternierend, sechs Metall-Schichten Schichten, alternierend, sechs halbmetallisierte Schichten Schichten, alternierend, kein Metall, Laminierung unter 3000 psi Schichten, nicht alternierend, kein Metall, Laminierung unter 2000 psi Schichten, nicht alternierend, kein Metall, 2-stufige Laminierung, dielektrische Schichten bei 3000 psi mit Zwangsschichten bei 3000 psi Schichten, nicht alternierend, kein Metall, 2-stufige Laminienung, dielektrische Schichten unter 69 bar (1000 psi), mit Zwangsschichten unter 207 bar (3000 psi)
Die für diese Teile gemessenen geringen Dimensionsänderungen sind größtenteils auf einen Material-Wäremausdehnungseffekt und einen Zwangsschicht-Verdichtungseffekt und nicht auf Sintern zurückzuführen. Die Ergebnisse zeigen, daß Schrumpfung während des Brennens tatsächlich für eine Anzahl der Beispiel-Konfigurationen eliminiert worden ist und daß lineare Dimensionen zu einem Genauigkeitsgrad gesteuert werden können, der vorher nicht erreichbar war. Die Ergebnisse zeigen ebenfalls, daß Probengeometrie und Metallisierungsdichte nicht das Schrumpfverhalten beeinflussen. Zum Vergleich haben typische frei-gesinterte (d.h. nicht unter Zwang) Mehrschichten-Du Pont-Green Tape -Teile ein Δl/lo von 0,12 und eine Standardabweichung von +0,002, wobei Schrumpfung stark durch die Geometrie des Teils und die Leitermetall-Dichte beeinflußt wird. Da das Verfahren derartig enge Dimensionstoleranz während der Verarbeitung gewährt, ist Dimensionssteuerung kein wichtiges Problem bei der Herstellung von Mehrschichten-Teilen mittels dieser Technik.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung ist das anorganische Glas vorzugsweise ein amorphes, kristallisierbares Glas oder ein amorphes, glasartiges Glas.
Vorzugsweise ist der Kontaktwinkel des anorganischen Bindemittels auf die nichtmetallischen Feststoffe der Zwangsschicht größer als 60º.
Vorzugsweise ist die Viskosität des sinterfähigen Bindemittels wenigstens 1X10&sup4; Pas s (1x10&sup5; Poise).
Vorzugsweise ist das miteinanderverbundene Porenvolumen der gebrannten Zwangsschicht wenigstens 10% des Gesamtvolumens der gebrannten Zwangsschicht.
Vorzugsweise ist die Sintertemperatur der nichtmetallischen anorganischen Feststoffe in der Zwangsschicht wenigsten 50ºC höher als die Sintertemperatur des anorganischen Bindemittels in dem keramischen Körper.
Vorzugsweise ist die Sintertemperatur des anorganischen Bindemittels in dem keramischen Körper 600-900ºC.
Vorzugsweise sind die nichtmetallischen anorganischen Feststoffe in der Zwangsschicht keramische Feststoffe und insbesondere ausgewählt aus Mullit, Quarz, Al&sub2;O&sub3;, CeO&sub2;, SnO&sub2;, MgO, ZrO&sub2;, BN und deren Mischungen.
Es ist auch bevorzugt, daß die keramischen Feststoffe in sowohl dem keramischen Körper als auch der Zwangsschicht das gleiche Material sind.
Die Zwangsschicht wird an den ungebrannten keramischen Körper in einer bevorzugten Ausführungsform laminiert.
Vorzugsweise umfaßt der keramische Körper eine oder mehrere Schichten des ungebrannten keramischen Bandes.
Vorzugsweise sind die keramischen Feststoffe in dem ungebrannten keramischen Band aus Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; und Mischungen und Vorläufern derselben ausgewählt.
Vorzugsweise machen die keramischen Feststoff- und anorganischen Bindemittel-Gehalte des ungebrannten keramischen Bandes 30-70 Vol% des ungebrannten keramischen Bandes aus und die nichtmetallischen, anorganischen Feststoff-Gehalte der Zwangsschicht machen 10-90 Vol.-% der gebrannten Zwangsschicht aus.
Vorzugsweise ist die durchschnittliche Teilchengröße der Feststoffe in dem ungebrannten keramischen Band und der Zwangsschicht 1-20 um, wobei weniger als 30 Vol.-% dieser Teilchen eine Teilchengröße von weniger als 1 um haben.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das ungebrannte keramische Band auf ein vorgebranntes, planares, keramisches Substrat laminiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das ungebrannte keramische Band auf beide Seiten des planaren, keramischen Substrats laminiert.
Es wird bevorzugt, daß wenigstens eine Oberfläche des Substrats ein leitfähiges Muster enthält.
Vorzugsweise umfaßt das vorgebrannte, planare, keramische Substrat ein Material, das aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, AlN und Si ausgewählt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Dickfilmleitfähiges-Muster auf das ungebrannte Band nach dem Entfernen der Zwangsschicht aufgebracht, und das Muster wird gebrannt, um Verdampfung des organischen Medium daraus und Sintern der darin enthaltenden leitfähigen Feststoffe zu bewirken.
Vorzugsweise ist das leitfähige Material in dem Muster ein Edelmetall, Mischung oder Legierung derselben, insbesondere ausgewählt aus Gold, Silber, Palladium oder Legierungen derselben.
Vorzugsweise ist das leitfähige Material in dem Muster Kupfer oder ein Vorläufer desselben.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens eine Schicht des ungebrannten keramischen Bandes ein darauf aufgedrucktes ungebranntes Muster aus Dickfilm-elektrischleitfähiger-Paste auf; und die Ansammlung wird gemeinsam gebrannt.
Vorzugsweise ist die Dickfilm-elektrisch-funktionelle-Paste ein Leiter oder ein Widerstand.
Der Verbund-ungebrannte-keramische-Körper der Erfindung umfaßt:
eine Zumischung aus fein verteilten Teilchen keramischer Feststoffe und sinterfähigem anorganischem Bindemittel, die in einem verdampfbaren, festen polymeren Bindemittel dispergiert sind, wobei an eine Oberfläche derselben eine flexible Zwangsschicht befestigt ist und eng daran anliegt, umfassend fein verteilte Teilchen aus nichtmetallischen anorganischen Feststoffen, die in einem verdampfbaren, festen polymeren Bindemittel dispergiert sind, wobei die Penetration des sinterfähigen anorganischen Bindemittels des keramischen Körpers in die Zwangsschicht nicht mehr als 50 um beträgt.
Das Verfahren zur Herstellung des ungebrannten, keramischen Verbundkörpers der Erfindung umfaßt die aufeinanderfolgenden Stufen:
Aufbringen einer Zwangsschicht auf wenigstens eine Oberfläche des ungebrannten keramischen Körpers, so daß die Zwangsschicht eng an der (die) Oberfläche(n) des keramischen Körpers anliegt, wobei der ungebrannte keramische Körper fein verteilte Teilchen von nichtmetallischen, anorganischen Feststoffen umfaßt, die in einem verdampfbaren organischen Medium umfassend festes polymeres Bindemittel, das in einem organischen Lösungsmittel gelöst ist, dispergiert sind, wobei die Zwangsschicht fein verteilte Teilchen aus nichtmetallischen anorganischen Feststoffen umfaßt, die in einem verdampfbaren polymeren Bindemittel dispergiert sind, und wobei die Penetration des sinterfähigen anorganischen Bindemittels des keramischen Körpers in die Zwangsschicht nicht mehr als 50 um beträgt und
b) Entfernen des organischen Lösungsmittels durch Verdampfung.
Vorzugsweise wird die Zwangsschicht an die Oberfläche(n) des keramischen Körpers laminiert.
Es wird bevorzugt, daß wenigstens eine Oberfläche des Verbund-ungebrannten-keramischen-Körpers ein darauf aufgedrucktes ungebranntes Muster aus Dickfilm-elektrisch-funktioneller-Paste aufweist.
Vorzugsweise wird das Dickfilm-Muster auf die Zwangsschicht- Seite(n) des keramischen Körpers gedruckt.
Vorzugsweise ist das Dickfilm-Muster leitfähig oder das Dickfilm-Muster ist ein Widerstand.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Verbund-ungebrannte-keramische-Körper sowohl Widerstands- als auch Leitermuster darauf gedruckt auf.

Claims

1. Verfahren zur Verminderung der X-Y-Schrumpfung während des Brennens eines keramischen Körpers umfassend die aufeinanderfolgenden Stufen des

a) Bereitstellens eines ungebrannten keramischen Körpers umfassend eine Zumischung aus fein verteilten Teilchen keramischer Feststoffe und sinterfähigem anorganischem Bindemittel, die in einem verdampfbaren, festen polymeren Bindemittel dispergiert sind;

b) Anwendens einer flexiblen Zwangsschicht auf eine Oberfläche des ungebrannten keramischen Körpers, so daß die Zwangsschicht genau dem ungebrannten keramischen Körper angepaßt ist, wobei die Zwangsschicht fein verteilte Teilchen aus nichtmetallischen anorganischen Feststoffen umfaßt, die in einem verdampfbaren polymeren Bindemittel dispergiert sind, wobei die Penetration des sinterfähigen anorganischen Bindemittels des keramischen Körpers in die Zwangsschicht nicht mehr als 50 um beträgt;

c) Brennens der Ansammlung bei einer Temperatur und während einer Zeitspanne, die ausreichend ist, um eine Verflüchtigung des polymeren Bindemittels aus sowohl dem keramischen Körper als auch der Zwangsschicht zu bewirken, Ausbildens miteinander verbundener Porosität in der Zwangsschicht und Sinterns des anorganischen Bindemittels in dem keramischen Körper;

d) Abkühlens der gebrannten Ansammlung, und

e) Entfernens der porösen Zwangsschicht von der Oberfläche des gesinterten keramischen Körpers.

2. Verfahren zur Verminderung der X-Y-Schrumpfung während des Brennens eines keramischen Körpers umfassend die aufeinanderfolgenden Stufen des

a) Bereitstellens eines Monolithen umfassend n ungebrannte keramische Körper, auf die wechselweise n + 1 flexible Zwangsschichten folgen, worin n eine positive ganze Zahl ist, wobei jeder ungebrannte keramische Körper eine oder mehrere Schichten aus keramischem Band umfaßt, das eine Zumischung aus fein verteilten Teilchen keramischer Feststoffe und sinterfähiges, anorganisches Bindemittel in einem verdampfbaren festen polymeren Bindemittel dispergiert umfaßt, wobei jede Zwangsschicht fein verteilte Teilchen aus nichtmetallischen anorganischen Feststoffen umfaßt, die in einem verdampfbaren polymeren Bindemittel dispergiert sind, und jede Zwangsschicht genau an die Oberfläche jedes benachbarten keramischen Körpers angepaßt ist, jedoch die Penetration des sinterfähigen anorganischen Bindemittels des keramischen Körpers in die Zwangsschicht nicht mehr als 50 um beträgt;

b) Brennens des Monoliths bei einer Temperatur und während einer Zeitspanne, die ausreichend ist, um eine Verflüchtigung der polymeren Bindemittel aus dem(den) keramischen Körper(n) und den Zwangsschichten zu bewirken, Ausbildens miteinander verbundener Porosität in den Zwangsschichten und Sinterns des anorganischen Bindemittels in dem(den) keramischen Körper(n);

c) Abkühlens des gebrannten Monoliths, und

d) Entfernens der porösen Zwangsschichten von den Oberflächen des (der) gesinterten keramischen Körpers (Körper).

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, in welchem das miteinander verbundene Porenvolumen der gebrannten Zwangsschicht wenigstens 10 % des gesamten Volumens der gebrannten Zwangsschicht beträgt.

4. Keramischer Verbund-Körper, der durch Brennen eines Grünkörpers erhalten wird, umfassend ein keramisches Band das eine Zumischung aus fein verteilten Teilchen keramischer Feststoffe und sinterfähigem anorganischem Bindemittel umfaßt, die in einem verdampfbaren, festen polymeren Bindemittel dispergiert sind, und der an einer Oberfläche desselben eine flexible Zwangsschicht angebracht und genau angepaßt aufweist, die fein verteilte Teilchen aus nichtmetallischen anorganischen Feststoffen in einem verdampfbaren festen polymeren Bindemittel dispergiert umfaßt, wobei die Penetration des sinterfähigen anorganischen Bindemittels des keramischen Körpers in die Zwangsschicht nicht mehr als 50 um beträgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 4, in welchem die Zwangsschicht an den ungebrannten keramischen Körper laminiert ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, in welchem der keramische Körper eine oder mehr Schichten des ungebrannten keramischen Bandes umfaßt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, in welchem das ungebrannte keramische Band an ein vorgebranntes, planares keramisches Substrat vor dem Brennen laminiert wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, in welchem das ungebrannte keramische Band auf beide Seiten des planaren keramischen Substrats laminiert wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 6, in welchem ein leitfähiges Dickfilm-Muster auf das gebrannte Band nach dem Entfernen der Zwangsschicht aufgebracht wird, und Brennen des Musters, um Verflüchtigung des organischen Mediums daraus zu bewirken, und Sintern der darin enthaltenen leitfähigen Feststoffe.

10. Verfahren gemäß Anspruch 6, in welchem wenigstens eine Schicht des ungebrannten keramischen Bandes ein ungebranntes Muster aus Dickfilm-elektrisch funktionelle Paste darauf aufgedruckt aufweist, und Co-Brennen der Ansammlung.