DE69725933T2

DE69725933T2 - Anorganische Zusammensetzung mit niedriger Brenntemperatur

Info

Publication number: DE69725933T2
Application number: DE69725933T
Authority: DE
Inventors: Yasutaka Nagaokakyo-shi Sugimoto; Kazuo Nagaokakyo-shi Kishida; Hirofumi Nagaokakyo-shi Sunahara; Hiroshi Nagaokakyo-shi Takagi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-07-24
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: EP0820965B1; JP3087656B2; EP0820965A1; JPH1036167A; US6231986B1; DE69725933D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine anorganische Zusammensetzung mit niedriger Brenntemperatur, insbesondere eine anorganische Zusammensetzung zur Benutzung in einer mehrschichtigen keramischen Platte mit gedruckter Schaltung.
Beim Miniaturisieren der elektronischen Vorrichtungen sind keramische Platten mit gedruckten Schaltungen für verschiedene elektronische Vorrichtungen weit verbreitet benutzt worden. Heutzutage sind mehrschichtige keramische Materialien entwickelt worden, um eine hohe Integration zu erzielen; sie werden durch Bilden eines Schaltungsmusters auf einer Oberfläche der ungesinterten keramischen Lage, Laminieren mehrerer Lagen und Brennen hergestellt. Aluminiumoxid ist als ein Material für eine derartige mehrschichtige keramische Platte mit gedruckter Schaltung benutzt worden.
Aluminiumoxid weist jedoch mehrere Nachteile auf. Da die Brenntemperatur von Aluminiumoxid so hoch wie 1.500 bis 1.600°C ist, ist eine große Energiemenge erforderlich, was von Natur aus hohe Kosten verursacht. Da das elektrisch leitende Material, das für einen inneren Schaltkreis, der in der mehrschichtigen Platte mit gedruckter Schaltung gebildet ist, einen hohen spezifischen Widerstand aufweist, auf Wolfram (W), Molybdän (Mo) oder dergleichen, die bei hoher Brenntemperatur keine Oxide sind, beschränkt ist, wird der elektrische Widerstand der Schaltung von Natur aus größer. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid größer ist als der eines Siliziumchips, der auf der Aluminiumoxidplatte angebracht wird, wird auf den Siliziumchip eine thermische Belastung übertragen, durch die Risse verursacht werden. Da Aluminiumoxid eine hohe Dielektrizitätskonstante von so groß wie etwa 10 aufweist, wird die Verzögerung bei der Signalübertragung in der Schaltung größer.
Unter diesen Voraussetzungen haben die Erfinder eine keramische Zusammensetzung mit niedriger Brenntemperatur für eine mehrschichtige keramische Platte mit gedruckter Schaltung erforscht und entwickelt.
Die japanische Patentauslegeschrift Nr. 1-246176 offenbart eine keramische Zusammensetzung. Das Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen keramischen Platte mit gedruckter Schaltung gemäß der Anmeldung ist wie folgt: Zuerst werden Cordieritpulver, Pulver von Oxiden oder Verbindungen von Ca, Sr oder Ba, SiO₂-Pulver, MgO und Al₂O₃ und Oxide oder Verbindungen von Cr, Fe, Co, Ni oder Cu eingewogen und gemischt. Dann wird das gemischte Material kalziniert und zu Pulver zerstoßen. Durch Zugeben von Bindemittel zu dem Pulver wird eine keramische Aufschlämmung hergestellt. Anschließend wird mittels eines Verfahrens zum Bilden von Lagen, z. B. des Rakelverfahrens, eine ungesinterte keramische Lage hergestellt. Mehrere der ungesinterten keramischen Lagen werden laminiert und gesintert, um eine mehrschichtige keramische Platte mit gedruckter Schaltung zu erhalten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine anorganische Zusammensetzung bereitzustellen, die geeignet ist, bei verhältnismäßig niedriger Temperatur gesintert zu werden und einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizient und höhere mechanische Festigkeit aufweist.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Zusammensetzung etwa 20 bis 35 Gew.-% Glaspulver und etwa 65 bis 80 Gew.-% Cordierit umfaßt.
Das Glaspulver umfaßt etwa 20 bis 60 Gew.-% SiO₂, etwa 30 bis 50 Gew.-% B₂O₃, etwa 5 bis 30 Gew.-% MgO, 0 bis etwa 15 Gew.-% Al₂O₃ und etwa 1 bis 5 Gew.-% R₂O.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind der Gegenstand der Unteransprüche.
Die anorganische Zusammensetzung bildet einen dichten gebrannten Körper, selbst wenn sie bei einer niedrigen Temperatur von 1.000°C oder weniger gebrannt wird, und weist eine niedrige Wärmeausdehnungsrate und Induktionsrate sowie eine hohe mechanische Festigkeit auf.
Da der Träger ferner bei einer Temperatur von 1.000°C oder weniger gebrannt wird, können Metalle, die einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisen, wie z. B. Ag/Pd und Cu, als das elektrisch leitende Material für Schaltungsbilder benutzt werden, wodurch die Verringerung des elektrischen Widerstands ermöglicht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Platte mit gedruckter Schaltung bereit, bei der die anorganische Zusammensetzung mit niedriger Brenntemperatur benutzt wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf die Beispiele weiter erläutert, die nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkend aufzufassen sind.
Eine anorganische Zusammensetzung mit niedriger Brenntemperatur wurde aus Glaspulver und Cordieritpulver wie folgt hergestellt:
Zuerst wurden SiO₂, B₂O₃, MgCO₃, Al₂O₃ und Li₂CO₃ als ein Rohmaterial benutzt, um das Glaspulver zu bilden.
Jeder Bestandteil wurde eingewogen, um Glas zu erhalten, das die Bestandteile aufweist, die in der Tabelle 1 unten dargestellt sind. In der Tabelle 1 zeigt die „Glaszusammensetzung" das Verhältnis (in Gew.-%) jedes Bestandteils bezogen auf das Glas als 100 Gew.-%, d. h. nach dem Abziehen des Gewichtes des Bestandteils Cordierit von dem Gesamtgewicht der anorganischen Zusammensetzung. In der Tabelle 1 liegt eine Probennummer mit Sternchen (*) außerhalb der vorliegenden Erfindung.
Tabelle 1
Danach wurde die Glaszusammensetzung in der Hitze bei 1.450 bis 1.550°C während 1 bis 4 Stunden geschmolzen und schnell abgekühlt, um ein glasartiges Material zu bilden. Die erhaltenen Glasstückchen wurden in einer Zirkoniumdioxid-Kugelmühle pulverisiert, und es wurde ein Glaspulver erhalten, das einen mittleren Durchmesser von 0,5 bis 3 μm aufwies.
Getrennt davon wurde der Cordierit pulverisiert, um ein feines Pulver herzustellen, das einen mittleren Durchmesser von 1 bis 3 μm aufwies.
Anschließend wurde das Cordieritpulver in einer Menge von 55 bis 90 Gew.-% des Gesamtgewichts mit jedem vorher hergestellten Glaspulver gemischt, wie in der Tabelle 1 dargestellt, und im nassen Zustand in einer Zirkoniumdioxid-Kugelmühle 3 bis 4 Stunden lang vermischt, um eine homogene Pulvermischung aus Glaspulver und Cordieritpulver zu erhalten.
Dann wurden ein organisches Bindemittel und ein Lösemittel, Toluol, zu diesen gemischten Pulvern gegeben und in einer Kugelmühle vollständig vermischt, um gleichmäßig verteilt vorzuliegen, und zum Entschäumen unter Vakuum behandelt, um eine Aufschlämmung herzustellen. In diesem Zusammenhang wurde ein organisches Vehikel, wie z. B. ein Bindemittel, Lösemittel, Weichmacher und dergleichen, in derselben Weise wie in einem herkömmlichen Verfahren benutzt.
Aus der Aufschlämmung wurde gemäß eines Gießverfahrens unter Benutzung einer Rakel auf einer Folie eine ungesinterte keramische Lage von 2 mm Dicke gebildet. Nach dem Trocknen wurde die ungesinterte Lage von dem Gießsubstrat abgezogen und gestanzt, um eine ungesinterte keramische Lage zu bilden, die eine gewünschte Größe aufwies.
Anschließend wurden mehrere der ungesinterten keramischen Lagen laminiert, um durch Preßformen einen keramischen Formkörper zu bilden.
Dann wurden diese keramischen Formkörper mit einer Geschwindigkeit von 200°C/h erhitzt und 2 Stunden lang und bei 980°C gebrannt, um einen keramischen Sinterkörper zu erhalten.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient, die absolute Dielektrizitätskonstante und der dielektrische Verlust dieser keramischen Sinterkörper wurden gemessen. Die Bewertungsergebnisse und die angewandten Brennbedingungen sind in der Tabelle 2 dargestellt. In der Tabelle 2 liegen die Probennummern, die mit einem Sternchen versehen sind, außerhalb der vorliegenden Erfindung.
Tabelle 2
Wie aus den Ergebnissen in der Tabelle 2 ersichtlich ist, erlaubt es die erfindungsgemäße anorganische Zusammensetzung, eine keramische Platte mit gedruckter Schaltung zu erhalten, die, selbst wenn sie bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur von 1.000°C oder weniger gebrannt wurde, ausgezeichnete Eigenschaften, eine gute Brenneigenschaft, eine im Vergleich zu Aluminiumoxid niedrige absolute Dielektrizitätskonstante von nur 4,9 bis 5,3 und einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizient von 2,7 bis 3,8 ppm/°C sowie einen geringen dielektrischen Verlust aufweist.
Die Gründe für das Einschränken der Zusammensetzungen der anorganischen Zusammensetzung mit niedriger Brenntemperatur sind unten erläutert.
Bezüglich der Zusammensetzungen des Glases und des Cordierits: Wie an den Ergebnissen von Probe Nr. 1 gezeigt, wird, wenn die Zusammensetzung den Cordierit in einer Menge von weniger als etwa 60 Gew.-% enthält, die Brenntemperatur zu niedrig und die Zusammensetzung schmilzt während des Brennschrittes, und da die Menge des Glases schon an sich groß wird, wird die Festigkeit des Endprodukts klein. Wenn andererseits die Menge an dem Cordierit mehr als etwa 85 Gew.-% beträgt, kann die Zusammensetzung nicht völlig gesintert werden, wie an den Ergebnissen der Probe Nr. 4 gezeigt. Demgemäß wird das Cordieritpulver vorzugsweise in einer Menge von etwa 65 bis 80 Gew.-% benutzt. Entsprechend beträgt das Gewicht des Glaspulvers vorzugsweise etwa 20 bis 35%.
Bezüglich der Zusammensetzung des Glaspulvers: Wie an den Ergebnissen der Proben Nr. 5 und 8 gezeigt ist, wird, wenn das Glaspulver zu weniger als etwa 20 Gew.-% aus SiO₂ besteht, die Viskosität des geschmolzenen Glases zu klein, was zu Aufschäumen zwischen keramischen Teilchen führt. Wenn andererseits die Menge an dem SiO₂ mehr als etwa 60 Gew.-% beträgt, wird die Viskosität des geschmolzenen Glases höher, was zum Verschlechtern der Sintereigenschaft führt, wie an den Ergebnissen der Probe Nr. 7 gezeigt. Somit beträgt die Menge an dem SiO₂ vorzugsweise etwa 20 bis 60 Gew.-% und insbesondere etwa 21 bis 55 Gew.-% Wie aus den Ergebnissen der Probe Nr. 7 ersichtlich ist, nimmt die Viskosität zu, wenn die Menge an dem B₂O₃ weniger als etwa 30 Gew.-% beträgt, wodurch die Sintereigenschaft verschlechtert wird. Wie an den Ergebnissen der Probe Nr. 8 ebenfalls gezeigt, ist, wenn die Menge an dem B₂O₃ mehr als etwa 50 Gew.-% beträgt, die chemische Stabilität des Glases verschlechtert, wodurch das Schäumen verursacht wird. Somit beträgt die Menge an dem B₂O₃ vorzugsweise etwa 30 bis 50 Gew.-% und insbesondere etwa 31 bis 46%.
Wie aus den Ergebnissen der Probe Nr. 9 ersichtlich ist, ist, wenn die Menge an dem MgO weniger als etwa 5 Gew.-% beträgt, die Viskosität des geschmolzenen Glases zu hoch, wodurch es der Zusammensetzung nicht möglich ist zu sintern, wohingegen das Glas mit Cordierit reagiert und ein Schäumen verursacht, wenn die Menge an MgO mehr als etwa 30 Gew.-% beträgt, wie aus den Ergebnissen der Probe Nr. 10 ersichtlich ist. Somit beträgt die Menge an dem MgO vorzugsweise etwa 5 bis 30 Gew.-% und insbesondere etwa 6 bis 24 Gew.-% Al₂O₃ ist zum Verbessern der chemischen Stabilität des Glases zugefügt. Wie jedoch an den Ergebnissen der Probe Nr. 12 gezeigt, wird, wenn die Menge an dem Al₂O₃ mehr als 15 Gew.-% beträgt. die Viskosität des Glases zu hoch, wodurch das Sintern der Zusammensetzung verhindert wird. Somit beträgt die Menge an Al₂O₃ vorzugsweise 0 bis etwa 15 Gew.-% und insbesondere etwa 1 bis 10 Gew.-%.
Bezüglich R₂O (wobei R für Alkalimetall steht): Wie an den Ergebnissen der Probe Nr. 13 gezeigt, sinterte die Zusammensetzung ohne Li₂O nie, während die Zusammensetzung schäumt, wenn die Menge an Li₂O mehr als etwa 5 Gew.-% beträgt, wie aus den Ergebnissen der Probe Nr. 14 ersichtlich ist. Somit beträgt die Menge an R₂O vorzugsweise etwa 1 bis 5 Gew.-% und insbesondere etwa 2 bis 4 Gew.-%
In den obigen Beispielen wurde als das Rohpulver des Glases ein Oxid benutzt, jedoch können auch Carbonate, Hydroxide oder dergleichen benutzt werden.
In den obigen Beispielen wurde Li als Beispiel für ein Alkalimetall benutzt, jedoch können andere Alkalimetalle als Li, zu denen Na, K, Cs und Fr gehören, ebenfalls benutzt werden, um ähnliche Ergebnisse zu erhalten.

Claims

Anorganische Zusammensetzung mit niedriger Brenntemperatur, umfassend etwa 20 bis 35 Gew.-% Glaspulver und etwa 65 bis 80 Gew.-% Cordieritpulver, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaspulver umfaßt: etwa 20 bis 60 Gew.-% SiO₂, etwa 30 bis 50 Gew.-% B₂O₃, etwa 5 bis 30 Gew.-% MgO, 0 bis etwa 15 Gew.-% Al₂O₃ und etwa 1 bis 5 Gew.-% R₂O, wobei R ein Alkalimetall darstellt.
Anorganische Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Glaspulverumfaßt: etwa 21 bis 55 Gew.-% SiO₂, etwa 31 bis 46 Gew.-% B₂O₃, etwa 6 bis 24 Gew.-% MgO, etwa 1 bis 10 Gew.-% Al₂O₃ und etwa 2 bis 4 Gew.-% R₂O.
Keramische Platte mit gedruckter Schaltung, umfassend eine Schicht aus gebrannter anorganischer Zusammensetzung, umfassend etwa 20 bis 35 Gew.-% eines Glaspulvers und etwa 65 bis 80 Gew.-% eines Cordierits, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaspulver umfaßt: etwa 20 bis 60 Gew.-% SiO₂, etwa 30 bis 50 Gew.-% B₂O₃, etwa 5 bis 30 Gew.-% MgO, 0 bis etwa 15 Gew.-% Al₂O₃ und etwa 1 bis 5 Gew.-% R₂O, wobei R ein Alkalimetall darstellt.
Keramische Platte mit gedruckter Schaltung nach Anspruch 3, wobei das Glaspulver umfaßt: etwa 21 bis 55 Gew.-% SiO₂, etwa 31 bis 46 Gew.-% B₂O₃, etwa 6 bis 24 Gew.-% MgO, etwa 1 bis 10 Gew.-% Al₂O₃ und etwa 2 bis 4 Gew.-% R₂O.
Verfahren zum Herstellen einer anorganischen Zusammensetzung mit niedriger Brenntemperatur, umfassend die Schritte des – Zubereitens von Glasrohmaterialien; – Erhitzens und Abkühlens des Rohmaterials, um Glas zu erhalten, wobei das Glas umfaßt: etwa 20 bis 60 Gew.-% SiO₂, etwa 30 bis 50 Gew.-% B₂O₃, etwa 5 bis 30 Gew.-% MgO, 0 bis etwa 15 Gew.-% Al₂O₃ und etwa 1 bis 5 Gew.-% R₂O, wobei R ein Alkalimetall darstellt; – Zusammenmischens von etwa 20 bis 35 Gew.-% des Glases und etwa 65 bis 80 Gew.-% eines Cordierits.