DE69925828T2

DE69925828T2 - Glaskeramische Zusammensetzung, aus diesem Material entstandenes Schaltkreissubstrat sowie dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69925828T2
Application number: DE69925828T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Nagoya-shi Taga; Hiroyuki Komaki-shi Takahashi; Yoshitaka Konan-shi Yoshida
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-07-31
Filing date: 1999-07-31
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2019-08-01
Also published as: DE69925828D1; ATE297881T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(i) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine glaskeramische Zusammensetzung, die z.B. in einem Schaltungssubstrat oder einer Chipkomponente verwendet wird, sowie auf ein die Zusammensetzung verwendendes Schaltungssubstrat und ein Verfahren zum Herstellen des Schaltungssubstrats.
(ii) Beschreibung des Stands der Technik
In der letzten Zeit wurde als Reaktion auf die Nachfrage nach höherer Leistungsfähigkeit von keramischen Zusammensetzungen und der Miniaturisierung von Chipkomponenten ein glaskeramisches Substrat praktisch anwendbar gemacht. Einzelheiten der Zusammensetzungen, der Herstellungsverfahren und dergleichen sind in den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 97565/1994 beschrieben.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 97565/1994 offenbart z.B. in Beispiel 1 eine glaskeramische Zusammensetzung, bei der das Gewichtsverhältnis von Glas und Al₂O₃ den Wert 66:34 (33,5 Gew%:17,1Gew°s) hat. Das Glas besteht aus 17, 2Gew% PbO, 4, 5Gew B₂O₃, 56, 5Gew% SiO₂, 9,1Gew% Al₂O₃, 1,6Gew% CaO, 2,4Gew% Na₂O und 1,7Gew% K₂O. Eine Glasverformungstemperatur beträgt 590°C, ein Erweichungspunkt beträgt 660°C, und eine Differenz des Erweichungspunkts und der Verformungstemperatur beträgt 70°C. Es wird weiter beschrieben, dass ein durch Sintern der glaskeramischen Zusammensetzung gewonnenes glaskeramisches Band eine bessere Formstabilität hat.
Des weiteren offenbart die japanische Patentveröffentlichung Nr. 69902/1994 eine glaskeramische Zusammensetzung im Beispiel 1, die aus 60Gew% Glas und 40Gew% Al₂O₃ besteht. Das Glas besteht aus 50Gew% SiO₂, 6Gew% Al₂O₃, 35Gew% PbO, 5Gew% (MgO + CaO + SrO + BaO), 1Gew% ZnO, 0,5Gew% B₂O₃, 0Gew% (Li₂O + Na₂O + K₂O) und 2, 5Gew% (TiO₂ + ZrO₂). Es wird beschrieben, dass beim Überführen der Zusammensetzung in eine Aufschlämmung und dem Brennen der sich ergebenden grünen Lage das gewonnene Substrat eine große Widerstandsfestigkeit und eine große thermische Leitfähigkeit hat und auch eine bessere thermische Widerstandsfähigkeit und chemische Widerstandsfähigkeit aufweist. Es wird weiter beschrieben, dass bei Ausbilden von Ag-Pd-Leitern auf der grünen Lage durch Siebdruck, Laminieren und Brennen zum Ausbilden eines glaskeramischen Laminats das mehrschichtige Schaltungselement eine bessere Lötmaterial-Benetzbarkeit und Verbindungsfestigkeit hat.
Diese glaskeramischen Zusammensetzungen oder glaskeramischen Verbundmaterialien wurden bisher als Schaltungssubstrate verwendet, indem man Leiterwege im Innern oder auf der Oberfläche jeder Schicht oder des Laminats bildete. Allerdings wurden übereinstimmende Eigenschaften mit verschiedenen Leitermaterialien nicht ausreichend untersucht.
Die Erfinder dieser Erfindung haben diesen Gesichtspunkt untersucht und dabei die folgenden Probleme gefunden. Wenn insbesondere in dem Fall, bei dem eine Glaszusammensetzung mit einem hohen Erweichungspunkt verwendet wird, eine Ag- oder Au-System-Leiterschaltung auf der grünen Lage siebgedruckt wird und dann gebrannt wird, werden die Leitermaterialien in einer Keramik dispergiert, wodurch der Isolationswiderstand, die dielektrische Konstante und andere elektrische Eigenschaften der Keramik verschlechtert werden. Es konnte keine geplante Leistungsfähigkeit erzielt werden. Da außerdem in Fällen, bei denen eine Glaszusammensetzung mit einem niedrigen Erweichungspunkt verwendet wird, das Ag- oder Au-System-Leitermaterial nicht ausreichend gesintert wird, wird die Bindungsfestigkeit des glaskeramischen Verbundmaterials und der Leiterschaltung wahrscheinlich unzulänglich. Eines der Probleme ist das Verziehen oder Verformen des Substrats, wenn das Substrat zusammen mit den leitfähigen Materialien gebrannt wird. Z.B. bei einem Substrat, in welchem eine große Anzahl von Teilen von jeweils etwa 10 × 10mm auf eine großen Platte mit der Größe von etwa 100 × 100mm angeordnet sind, bewirkt die Erzeugung des Verbiegens oder der Verformung einen fatalen Defekt in einem Lötmaterial-Druckverfahren nach dem Brennen des Substrats oder bei einem Verfahren zum Montieren elektronischer Komponenten oder Teile.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine glaskeramische Zusammensetzung bereitzustellen, die verschiedene ausgezeichnete Eigenschaften einer Keramik hat und auch ausgezeichnete Abstimmungseigenschaften mit einem Ag- oder Au-System-Leitermaterial hat, sowie ein Schaltungssubstrat, welches die Zusammensetzung verwendet, und ein Verfahren zum Herstellen des Schaltungssubstrats bereitzustellen.
Um diese sowie weitere Aufgaben zu lösen, wird gemäss einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine glaskeramische Zusammensetzung bereitgestellt, bei der ein Gewichtsverhältnis eines Glases und einer Keramik 40 bis 60:60 bis 40 ist. Das Glas besteht aus 40 bis 60Gew% SiO₂, 5 bis 9Gew% Al₂O₃, 1 bis 10Gew% B₂O₃, 3 bis 5Gew% Na₂O + K₂O, 3 bis 15Gew% CaO + MgO + ZnO und 27 bis 40Gew% PbO, und es enthält kein Li₂O. Ein Erweichungspunkt des Glases liegt im Bereich von 650 bis 780°C.
Für die physikalischen Eigenschaften des Glases in der glaskeramischen Zusammensetzung bevorzugt man, dass eine Differenz des Erweichungspunkts und der Fliessgrenze 95°C oder größer ist und dass ein Übergangspunkt des Glases (Glasübergangstemperatur) im Bereich von 520 bis 620°C liegt. Die glaskeramische Zusammensetzung wird vorzugsweise bei einer Brenntemperatur von 800 bis 930°C unter einer oxidierenden Atmosphäre gebrannt. Als Keramik werden vorzugsweise Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Mullit, Magnesiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Spinell, Forsterit, Strontiumtitanat, Kalziumtitanat und der dergleichen allein oder für die Verwendung passend gemischt verwendet.
Gemäss einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Schaltungssubstrat bereitgestellt, das ein schichtartiges Substrat enthält, das durch Laminieren einer Vielzahl isolierender Substrate gebildet wird, sowie eine Leiterschaltung bereitgestellt, die an mindestens einer Oberfläche jedes der Vielzahl der isolierenden Substrate ausgebildet ist.
Das isolierende Substrat ist aus der glaskeramischen Zusammensetzung gemäss dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung gebildet.
Die Leiterschaltung ist vorzugsweise aus einem Ag- oder Au-Systemleiter gebildet und hat eine Induktivitätsschaltung oder eine Kapazitätsschaltung.
Gemäss einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungssubstrats bereitgestellt, das aufweist: einen Schritt zum Vorbereiten einer grünen Lage, die aus der glaskeramischen Zusammensetzung des ersten Gesichtspunkts besteht, einen Schritt zum Bilden einer System-Leiterschicht aus Ag oder Au zumindest auf einer Oberfläche der grünen Lage, einen Schritt zum Laminieren einer Vielzahl grüner Lagen, auf denen jeweils die Leiterschicht ausgebildet ist, und einen Schritt zum Brennen der laminierten grünen Lagen mit einer Brenntemperatur im Bereich von 800 bis 930°C unter einer oxidierenden Atmosphäre.
Bei einem herkömmlichen Schaltungssubstrat, das einen Cu-Leiter als Niedrigwiderstand-Leiter verwendet, wird ein hitzebeständiges Epoxidharz als Substratmaterial verwendet. Da das hitzebeständige Epoxidharz im Mikrowellenband einen großen dielektrischen Verlust hat, ist auch der Signal-Übertragungsverlust groß. Dies führt zu dem Problem, dass ein derartiges Harz für eine Anwendung, bei der das Substrat in dem Mikrowellenband verwendet wird, nicht geeignet ist. Es müssen daher für das Mikrowellenband sowohl der Leiterverlust als auch der dielektrische Verlust klein sein. Diesbezüglich ist das Schaltungssubstrat der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des System-Leitermaterials aus Ag oder Au besser.
Bei der glaskeramischen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung liegt das Glas/Keramik-Gewichtsverhältnis aus den folgenden Gründen im Bereich von 40 bis 60:60 bis 40:
Insbesondere dann, wenn der Glasgehalt weniger als 40 bezüglich des gesamten Glas- und Keramikgewichts mit Wert 100 ist, reicht die Menge der Glaskomponenten zum Abdecken der Randbereiche von Keramikpartikeln während des Brennens der glaskeramischen Zusammensetzung zum Bilden des isolierenden Substrats nicht mehr aus. Es kann keine ausgezeichnete Benetzung erzielt werden, die scheinbare Porosität des Substrats wird nicht 0, und die Substratfestigkeit wird herabgesetzt. Wenn andererseits der Glasgehalt größer als 60 ist, kann keine ausreichende Biegefestigkeit erreicht werden. Zusätzlich kann die glaskeramische Zusammensetzung lediglich aus dem Glas und der Keramik bestehen oder kann an dere Bestandteile enthalten. Darüber hinaus ist in einem bevorzugten Bereich das Glas/Keramik-Gewichtsverhältnis im Bereich von 45 bis 55:55 bis 45.
Ein Glasbestandteil SiO₂ ist ein Glasnetzwerk-Bildner und eine Glas-Basiszusammensetzung. Der Gehalt an SiO₂ liegt im Bereich von 40 bis 60Gew%, da bei einem Gehalt von weniger als 40Gew% der Erweichungspunkt meist unterhalb von 650°C liegt. Wenn der Gehalt 60Gew% übersteigt, liegt der Erweichungspunkt meist oberhalb von 780°C, so dass eine ausreichende Festigkeit nicht erzielt werden kann.
Ein weiterer Glasbestandteil Al₂O₃ erhöht die Glas-Löslichkeit oder Wasser-Beständigkeit als eine der Glas-Eigenschaften. Wenn der Gehalt an Al₂O₃ kleiner als 2Gew% ist, kann während des Glasschmelzens eine Entglasung auftreten. Wenn der Gehalt 10Gew% überschreitet, wird der Erweichungspunkt übermäßig hoch. Ein bevorzugter Gehalt an Al₂O₃ liegt im Bereich von 5 bis 9Gew%.
Ein weiterer Glasbestandteil B₂O₃ senkt den Erweichungspunkt als Glas-Fliessbestandteil herab. Der Gehalt an B₂O₃ liegt im Bereich von 1 bis 10Gew%, da bei einem Gehalt von weniger als 1Gew% der Erweichungspunkt meistens zu hoch wird. Wenn der Gehalt 10Gew% überschreitet, fließt das Glas übermäßig stark, wenn es zusammen mit dem System-Leitermaterial aus Ag oder aus Au gebrannt wird. Es besteht dann die Wahrscheinlichkeit, dass das System aus Ag oder Au in dem isolierenden Substrat dispergiert wird.
Ein weiterer Glasbestandteil (Na₂O + K₂O) senkt den Glas-Erweichungspunkt ab. Der Gehalt an (Na₂O + K₂O) liegt im Bereich von 3 bis 5Gew%, da bei einem Gehalt von weniger als 3Gew% der Erweichungspunkt meistens zu hoch ist. Wenn der Gehalt 5Gew% überschreitet, wird der Isolationswiderstand des isolierenden Substrats herabgesetzt. Darüber hin aus hat das weitere Alkalimetalloxid Li₂O eine ähnliche Wirkung, doch hat Li⁺ einen kleinen Innenradius, so dass es sich in Glas leicht bewegen kann. Wenn Li₂O zusammen mit dem System-Leitermaterial aus Ag oder Au gesintert wird, wird das Ag oder Au in dem Schaltungssubstrat leicht dispergiert. Gemäss der vorliegenden Erfindung ist deshalb Li₂O in den Glasbestandteilen nicht enthalten.
Ein weiterer Glasbestandteil (CaO + MgO + ZnO) erfüllt die Rolle eines Regulierens des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glases und eines Absenkens des Erweichungspunkts. Der Gehalt an (CaO + MgO + ZnO) liegt im Bereich von 3 bis 5Gew%, da bei einem Gehalt von weniger als 3Gew% diese Rolle nicht ausreichend durchgeführt wird. Wenn der Gehalt 15Gew% überschreitet, tritt eine Entglasung auf, oder die Verglasung wird schwierig.
Der weitere Glasbestandteil PbO senkt den Glas-Erweichungspunkt als Glas-Fliessbestandteil herab. Der Gehalt an PbO liegt im Bereich von 27 bis 40Gew%, da bei einer Abweichung von diesem Bereich umgekehrt der Erweichungspunkt meistens höher wird.
Alle Glasbestandteile B₂O₃, (Na₂O + K₂O) und PbO erfüllen die Rolle der Absenkung des Erweichungspunktes. Daher kann jeder dieser Bestandteile allein verwendet werden, um den Erweichungspunkt abzusenken. Wenn jedoch der Erweichungspunkt unter der alleinigen Verwendung von B₂O₃ oder (Na₂O + K₂O) ausreichend weit abgesenkt werden soll, ist die Menge so groß, dass andere Nachteile in ungeeigneter Weise erzeugt werden. In dem erstgenannten Fall wird Ag oder Au in die Keramik dispergiert. In letzterem Fall wird der Isoaltationswiderstand abgesenkt. Wenn der Erweichungspunkt unter Verwendung von PbO allein ausreichend weit herabgesetzt werden soll, erhöht darüber hinaus die übermäßige Menge an PbO in umgekehrter Weise den Erweichungspunkt, was ungeeig net ist. Deshalb müssen die Bestandteile B₂O₃, (Na₂O + K₂O) und PbO in den vorgenannten Bereichen passend eingestellt werden, um den Erweichungspunkt im Bereich von 650 bis 685°C zu erreichen.
Bei der glaskeramischen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist der Erweichungspunkt in dem numerischen Wertbereich von 650 bis 685°C festgelegt, da bei einer Absenkung der physikalischen Eigenschaft unterhalb der unteren Grenze während des Brennens zusammen mit dem System-Leitermaterial aus Ag oder Au die Keramik gesintert wird, jedoch das leitfähige Material unzulänglich gesintert werden könnte. Wenn die physikalische Eigenschaft oberhalb der oberen Grenze liegt, wird die Brenntemperatur übermäßig hoch, so dass Ag oder Au in dem isolierenden Substrat wahrscheinlich dispergiert wird.
Darüber hinaus ist eine Differenz des Erweichungspunkts und der Fliessgrenze (auch als Verformungstemperatur bezeichnet) vorzugsweise 95°C oder größer. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei einer Differenz von weniger als 95°C während des Brennens zusammen mit dem System-Leitermaterial aus Ag oder Au eine Verziehung bzw. Verdrehung erzielt wird. Die Differenz liegt bevorzugter im Bereich von 95 bis 120°C. Zusätzlich liegt aus demselben Grund der Erweichungspunkt vorzugsweise im Bereich von 555 bis 685°C, während der Glasübergangspunkt im Bereich von 520 bis 620°C liegt.
Da die glaskeramische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung PbO in den Glasbestandteilen enthält, wird das Brennen vorzugsweise unter einer Oxidationsatmosphäre, das heißt in der Umgebungsatmosphäre durchgeführt. Wenn das Brennen unter einer Reduktionsatmosphäre durchgeführt wird, wird PbO reduziert, und der Isolationswiderstand wird wahrscheinlich verringert. Wenn man das Brennen auf diese weise unter der Oxidationsatmosphäre durchführt, wird außerdem das Ag- oder Au-System, das sich nicht leicht oxidieren lässt, vorzugsweise als Leitermaterial verwendet. So können z.B. als Ag-System-Leitermaterial Ag-Pd, Ag-Pt oder dergleichen verwendet werden. In Anbetracht der angepassten Eigenschaft für das leitfähige Material, wie z.B. Sintereigenschaften der Glaskeramik und des Leitermaterials während des Brennens der beiden, das Verhindern, dass Ag oder Au dispergiert, und dergleichen, bevorzugt man zusätzlich, dass die Brenntemperatur im Bereich von 800 bis 930°C liegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Ansicht eines Kopplers mit Tiefpassfilter zur Verwendung in einem Mobiltelefon gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2A und 2B sind Perspektivansichten schichtartiger Substrate des in 1 gezeigten Kopplers mit Tiefpassfilter, wobei 2A ein Substrat mit darauf angeordneten Induktivitätsschaltungen zeigt und 2B Substrate mit darauf angeordneten Kapazitätsschaltungen zeigt.
3 ist eine Draufsicht einer keramischen grünen Lage, aus der neun Teile des in 2B gezeigten isolierenden Substrats genommen werden.
4 ist eine teilweise aufgeschnittene Schnittansicht, die einen Leistungsverstärker zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung Anwendung findet.
5 ist eine Seitenansicht eines herkömmlichen Leistungsverstärkers.
6 ist eine Perspektivansicht, die ein groß angelegtes Laminatsubstrat zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung Anwendung findet.
7 ist eine Schnittansicht entlang der in 6 gezeigten Linie VII-VII.
8 ist eine vergrößerte Ansicht des in 7 gezeigten Bereichs S.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Feine Metalloxide wurden in den Proportionen gemischt, die in Tabelle 1 als "Glaszusammensetzung" aufgelistet sind. Jede Mischung wurde aufgeschmolzen, danach verfestigt und dann gemahlen, um ein Glaspulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 3 bis 5μm zu erhalten. Anschließend wurden das Glaspulver und α-Aluminium mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 3μm in dem in Tabelle 1 gezeigten Verhältnis gemischt. Die glaskeramische Zusammensetzung der Beispiele 1 bis 3 und 5 sowie die Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden auf diese Weise erhalten. Anschließend wurden 10 Gewichtsanteile eines Bindemittel-Bestandteils aus Acrylharz, 5 Gewichtsanteile eines Weichmachers oder Dibutyl-Phtalats sowie eine geeignete Menge eines organischen Lösungsmittels oder Methylethy-Keton beigemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden. Daraufhin wurde mittels eines Streichmesserverfahrens eine 0,3mm dicke grüne Lage vorbereitet.
Zusätzlich wurden Messungen des Glasübergangspunkts, des Erweichungspunkts und der Fliessgrenze durchgeführt, wobei eine von der Kabushiki Kaisha Rigaku hergestellte Messapparatur des Modells TG-DTA TAS 300 verwendet wurde, indem man 30 bis 50mg des Probenpulvers in eine Platinampulle hineingab und die Temperatur von Raumtemperatur auf 1.200°C mit 10°C/Minute erhöhte.
Tabelle 1
Prüfung verschiedener Eigenschaften der Keramik
Die erhaltene grüne Lage wurde bei einer in Tabelle 2 beschriebenen Brenntemperatur gebrannt, um ein isolierendes Substrat zu bilden, und das Substrat wurde auf die folgenden Punkte beurteilt.

(1) Scheinbare Porosität: Es wurde ein Versuch in Übereinstimmung mit JIS (japanischer Industriestandard)-C2141 durchgeführt (Verfahren zum Prüfen eines elektrisch isolierenden Keramikmaterials).
(2) Biegefestigkeit: Es wurde ein Drei-Punkt-Biegetest in Übereinstimmung mit JIS-R1601 durchgeführt (Verfahren zum Prüfen der Biegefestigkeit einer Feinkeramik).
(3) Elastizitätsmodul: Es wurde ein Ultraschall-Impulsverfahren nach JIS-R1602 durchgeführt.
(4) Dielektrische Konstante, dielektrischer Verlust: Nachdem das Substrat zu einer Dicke von 0,3mm abgeschliffen/verarbeitet worden war, wurden diese Eigenschaften in einem dielektrischen Resonator-Störverfahren gemessen.
(5) Haltespannung (Widerstandsspannung): Es wurde ein Test gemäss JIS-C2110 durchgeführt.
(6) Wärmeausdehnungskoeffizient: Es wurde ein Test gemäss JIS-R1618 durchgeführt.
(7) Wärmeleitfähigkeit: Es wurde ein Test gemäss JIS-R1611 durchgeführt.

Prüfung auf simultane Sintereigenschaft
Eine Ag-metallisierte Paste wurde folgendermaßen hergestellt:
Es wurden speziell zu 100 Gewichtsanteilen eines Ag-Pulvers mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 3μm zwei Gewichtsanteile eines Glaspulvers mit derselben Zusammensetzung wie das Glas in der glaskeramischen Zusammensetzung verwendet. Darüber hinaus wurden ein organisches Bindemittel oder Ethylzellulose sowie ein Lösungsmittel oder Butylkarbitol verwendet. Die Bestandteile wurden unter Verwendung von drei Walzen vermischt, um die Paste vorzubereiten.
Die erhaltene Paste wurde mit 30mm Länge, 30mm Breite und 20μm Dicke auf die grüne Lage (rohe Lage) mit 50mm Länge, 50mm Breite und 0,3mm Dicke siebgedruckt. Die grüne Lage wurde bei einer in Tabelle 2 beschriebenen Keramik-Brenntemperatur gebrannt, so dass das Ag-Pulver und die Keramik gleichzeitig gesintert wurden. Nach dem Sintern wurde die Verziehung des Schaltungssubstrats gemessen. Darüber hinaus wurde die Verfärbung des Substrats visuell bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Wenn eine Ag-Dispersion erzeugt wurde, verfärbte sich außerdem ein Grenzabschnitt des Substrats und des Leiters nach Gelb. Tabelle 2
Beurteilung* G: gut
NG: nicht gut
Bewertungsergebnisse
Wie man aus Tabelle 2 sieht, hatten sowohl das isolierende Substrat als auch das Schaltungssubstrat, die aus der glaskeramischen Zusammensetzung von Beispiel 1 gewonnen wurden, ausgezeichnete keramische Eigenschaften. wenn das Substrat zusammen mit dem Leitermaterial des Ag-Systems gebrannt wurde, ergab sich eine äußerst kleine Verziehung, und man beobachtete keinerlei Ag-Dispersion. Es wurden zufriedenstellende Eigenschaften der grünen Lage oder des Schaltungssubstrat erzielt.
Das isolierende Substrat und das Schaltungssubstrat, die aus der glaskeramischen Zusammensetzung von Beispiel 2 oder 3 erhalten wurden, sind dieselben wie die von Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass die Glas- und Aluminiumoxid-Verhältnisse anders sind. Genauso wie bei Beispiel 1 sind die keramischen Eigenschaften ausgezeichnet. Wenn das Substrat zusammen mit dem Leitermaterial des Ag-Systems gebrannt wurde, ergab sich eine äußerst kleine Verziehung, und man beobachtete keinerlei Ag-Dispersion. Es wurden zufriedenstellende Eigenschaften der grünen Lage oder des Schaltungssubstrats erzielt.
Das isolierende Substrat und das Schaltungssubstrat, die aus der glaskeramischen Zusammensetzung von Beispiel 5 gewonnen wurden, sind dieselben wie die von Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass die Glaszusammensetzungen anders sind. Wenn das Substrat zusammen mit dem Leitermaterial des Ag-Systems gebrannt wurde, ergab sich genau wie bei Beispiel 1 eine äußerst kleine Verziehung, und man beobachtete keinerlei Ag-Dispersion.
Das isolierende Substrat und das Schaltungssubstrat, die aus glaskeramischen Zusammensetzung von Vergleichsbeispiel 1 gewonnen wurden, sind im wesentlichen dieselben wie die von Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass die Glaszusammensetzung anders ist (Li₂O ist enthalten), der Glasübergangspunkt Tg, die Fliessgrenze Td und der Erweichungspunkt Ts allesamt niedrig sind und dass (Ts-Td) kleiner als 86°C ist. Wenn jedoch das Substrat zusammen mit dem Leitermaterial des Ag-Systems gebrannt wurde, ergab sich die Farbänderung durch die Ag-Dispersion. Zufriedenstellende Eigenschaften der grünen Lage und des Schaltungssubstrats wurden nicht erzielt.
Das isolierende Substrat und das Schaltungssubstrat, die aus der glaskeramischen Zusammensetzung des Vergleichsbeispiels 2 erhalten wurden, sind im wesentlichen dieselben wie die aus Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass die Glaszusammensetzung anders ist (Li₂O ist enthalten) und dass (Ts-Td) kleiner als 92°C ist. Wenn jedoch das Substrat zusammen mit dem Leitermaterial des Ag-Systems gebrannt wurde, war die Verziehung groß, und man fand eine Farbänderung durch die Ag-Dispersion. Zufriedenstellende Eigenschaften der grünen Lage und des Schaltungssubstrats wurden nicht erzielt.
Das isolierende Substrat und das Schaltungssubstrat, die aus der glaskeramischen Zusammensetzung des Vergleichsbeispiels 3 oder 4 erhalten wurden, sind im wesentlichen dieselben wie die bei Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass das Glas- und Aluminiumoxid-Gewichtsverhältnis anders ist. In dem Vergleichsbeispiel 3, bei dem zu viel Glas enthalten ist, ist die Biegefestigkeit der Keramik gering. In dem Vergleichsbeispiel 4, bei dem zu wenig Glas enthalten ist, wird die scheinbare Porosität nicht 0, und die Sinterung ist unzulänglich. Diese Beispiele sind für die praktische Verwendung nicht geeignet.
Außerdem wurde bei dem isolierenden Substrat, das aus der glaskeramischen Zusammensetzung von Beispiel 1 der vorlie genden Erfindung gewonnen wurde, beim Durchführen einer Pulver-Röntgenbeugung die Anwesenheit von Anorthit bestätigt.
Durch Verwenden des isolierenden Substrats, das aus der glaskeramischen Zusammensetzung des vorliegenden Ausführungsbeispiels gewonnen wird, kann ein Mikrowellen-Schaltungschip hergestellt werden.
Ein Tiefpassfilter-Koppler als ein Beispiel des Mikrowellen-Schaltungschips, bei dem das vorliegende Ausführungsbeispiel verwendet wird, sowie eine Induktivitätsschaltung und eine Kapazitätsschaltung, die den Koppler bilden, werden nun beschrieben.
1 ist eine schematische Ansicht des Tiefpassfilter-Kopplers zur Verwendung in einem Mobiltelefon. Wie in 1 gezeigt, ist der Tiefpassfilter-Koppler 10 durch Laminieren von acht Schichten eines isolierenden Substrats 12 gebildet. In jedem isolierenden Substrat 12 sind notwendige Schaltungselemente auf einer Fläche des isolierenden Substrats von Beispiel 1 gebildet. Der Tiefpassfilter-Koppler 10 hat eine Länge von 3,2mm, eine Breite von 1,6mm und eine Höhe von 1,3mm. 1 ist eine schematische Ansicht, und es muss betont werden, dass eine Schrumpfskala in der Längsrichtung nicht identisch zu einer Schrumpfskala in der Querrichtung ist. In sechs Vertiefungen 11, die in gegenüberliegenden Seitenflächen des Tiefpassfilter-Kopplers 10 gebildet sind, sind Drähte 13 als Zwischenschicht-Leiter vorgesehen, um die Schaltungselemente einer Schicht mit denjenigen der anderen Schicht elektrisch zu verbinden.
2A und 2B zeigen Substrate mit darauf ausgebildeten Induktivitätsschaltungen bzw. Kapazitätsschaltungen zwischen den Laminatsubstraten des in 1 gezeigten Tiefpassfilter-Kopplers.
Bei einem in 2A gezeigten isolierenden Substrat 12a sind Induktivitätsschaltungen 14a und 14b, ein Durchgangsloch-Leiter 16 als Zwischenschicht-Leiter und eine mit dem Durchgangsloch-Leiter 16 elektrisch verbundene Kontaktfläche 18 gebildet. Wie in 2B gezeigt, sind Kapazitätsschaltungen 20a, 20b und 20c auf einem isolierenden Substrat 12b gebildet, während eine Kapazitätsschaltung 22 auf einem isolierenden Substrat 12c gebildet ist.
Die Induktivitätsschaltungen 14a und 14b sowie die Kontaktfläche 18, die in 2A gezeigt sind, sind mit den Schaltungselementen eines anderen isolierenden Substrats elektrisch verbunden, das auf dem isolierenden Substrat 12a laminiert ist, und der Durchgangsloch-Leiter 16 ist mit den Schaltungselementen eines anderen isolierenden Substrats elektrisch verbunden, das unter dem isolierenden Substrat 12a laminiert ist. Eine Kapazität wird durch elektrostatische Kapazität gebildet, die zwischen den Kapazitätsschaltungen 20a, 20b, 20c und der Kapazitätsschaltung 22 gebildet sind.
Es wird nun ein Verfahren zum Herstellen des Tiefpassfilter-Kopplers 10 anhand von 3 beschrieben. 3 ist eine Draufsicht einer keramischen grünen Lage, von der neun Teile des in 2B gezeigten isolierenden Substrats 12c genommen werden. Ein Schaltungsmuster 32 aus einer Silberpaste zum Bilden der Kapazitätsschaltung wird auf eine obere Fläche einer grünen Lage 30 siebgedruckt. In 3 zeigen die gestrichelten Linien 34 Schnittlinien zum Trennen jedes isolierenden Substrats. Durchgangslöcher 36 zum Bilden der in 1 gezeigten Vertiefungen 11 werden entlang der gestrichelten Linien 34 gestanzt.
Ein benötigtes Schaltungsmuster, wie es in 2A oder 2B gezeigt ist, wird auf dem isolierenden Substrat 12 gebil det. Acht Schichten der Substrate werden laminiert. Anschließend wird eine Silber/Platin-Paste einer Innenwandfläche jedes Durchgangslochs 36 siebgedruckt. Anschließend erfolgt das Schneiden entlang der in 3 gezeigten gestrichelten Linien 34. Danach werden die grüne Lage, die das isolierende Substrat bildet, und die Silber/Platin-Paste, die das Schaltungsmuster bildet, gleichzeitig gebrannt. Der in 1 gezeigte Tiefpassfilter-Koppler wird auf diese Weise gewonnen.
4 ist eine teilweise abgeschnittene Schnittansicht, die den Leistungsverstärker zeigt, bei dem das vorliegende Ausführungsbeispiel Anwendung findet. Wie in 4 gezeigt, wird ein Leistungsverstärker 40 gebildet, indem man vier isolierende Substrate 42a bis 42d laminiert und ein Hohlraum 44 in einem mittigen Abschnitt eines Laminatsubstrats 41 vorgesehen wird. Die isolierenden Substrate 42c, 42d in dem Bereich des Hohlraums 44 bilden eine Doppelschicht-Struktur. Ein Halbleiterchip 46 mit einer darauf gebildeten integrierten Schaltung ist auf dem isolierenden Substrat 42b montiert, das den Hohlraum 44 bestimmt. Ein Stufenabschnitt 48 und der Halbleiterchip 46, die den Hohlraum 44 umgeben, sind über einen Verbindungsdraht 50 miteinander elektrisch verbunden. Ein Widerstand oder ein weiterer Chipbestandteil 52 ist an einer obersten Schicht oder einem vierten isolierenden Substrat 42d angebracht. Eine Verdrahtungsschicht 54 und ein Durchgangsloch-Leiter 56 sind im Innern des Laminatsubstrats 41 vorgesehen.
Es wird nun ein Verfahren zum Herstellen des Leistungsverstärkers beschrieben, wobei zunächst ein Verfahren zum Herstellen eines Laminatsubstrats zur Verwendung in dem Leistungsverstärker beschrieben wird.
Auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 1 wird eine 0,15mm dicke grüne Lage gebildet, und es wird ein auf eine Größe von 100mm × 100mm geschnittenes Teil vorbereitet. Ein benötigtes Schaltungsmuster wird matrixartig auf jede Schicht der grünen Lage gedruckt, wobei eine Paste aus Ag und/oder Pt mittels des Druckverfahrens verwendet wird. Außerdem wird ein Loch zum Bilden des Stufenabschnitts 48 und des Hohlraums 44 in den grünen Lagen der dritten und vierten Schichten vom Boden matrixartig gebildet. Anschließend werden die grünen Lagen mit den darauf gedruckten Schaltungsmustern laminiert, und die grüne Lage sowie die Paste aus Ag und/oder Pt zum Bilden der Schaltung werden gleichzeitig gebrannt. Gebrannte Laminatsubstrate im großen Maßstab sind in 6 bis 8 gezeigt.
Wie in 6 gezeigt, ist ein Laminatsubstrat 60 in großem Maßstab mit einer großen Zahl an Chipflächen 62 ausgestattet, die sich in der X- und der Y-Richtung orthogonal zueinander erstrecken. Eine große Anzahl an Substraten für Leistungsverstärker kann aus einem Laminatsubstrat 60 gewonnen werden, indem man die Chipflächen 62 entlang der durch gestrichelte Linien gezeigten Schneidlinien 64 schneidet.
7 ist eine Schnittansicht entlang der in 6 gezeigten Linie VII-VII. Wie in 7 gezeigt, hat das Laminatsubstrat ausschließlich beider Randabschnitte 63 von dem gesamten Laminatsubstrat 60 eine Länge von 63mm, während eine Chipfläche 62 eine Länge von 7mm hat. Das gesamte Laminatsubstrat 60 hat eine Länge von 75mm.
8 ist eine vergrößerte Ansicht eines in 7 gezeigten Abschnitts S. Wie in 8 gezeigt, besteht das Laminatsubstrat 60 aus Schichten La, Lb, Lc und Ld. Jede Schicht ist mit einer metallisierten Schicht versehen, um eine Metallverdrahtung, eine Kontaktfläche oder dergleichen zu bilden. Eine Ag-Pt-Metallisierungsschicht ist an der unteren Fläche der Schicht La vorgesehen, und eine Ag- Metallisierungsschicht ist an deren oberer Fläche ausgebildet. Ag-Pt-Metallisierungsschichten sind an oberen Flächen der Schichten Lb, Lc und Ld vorgesehen. Außerdem ist an der unteren Fläche der Schicht La und an den freiliegenden Abschnitten der Schichten Lb, Lc und Ld eine Keramikbeschichtung ausgebildet, um die Metallisierungsschichten abzudecken und zu isolieren. Wie oben beschrieben, wird das Laminatsubstrat 60 durch Laminieren und Brennen einer Vielzahl isolierender Substrate mit den darauf vorgesehenen Ag- und/oder Pt-Metallisierungsschichten gebildet. Wenn die Zusammensetzung des isolierenden Substrats im Bereich der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben eingestellt wird, ist das isolierende Substrat auf die leitende Schicht physikalisch abgestimmt. Selbst wenn ein Laminatsubstrat 60 im großen Maßstab wie oben beschrieben vorbereitet wird, findet im wesentlichen keine Verziehung oder Verformung an dem Laminatsubstrat nach dem Brennen statt.
Anschließend werden die integrierten Schaltungen und Chipbestandteile montiert, und eine Metallkappe zur elektromagnetischen Abschirmung (nicht gezeigt) wird angebracht. Das Schneiden erfolgt dann entlang der in 6 gezeigten gestrichelten Linien 64. Dadurch wird eine große Anzahl an Leistungsstärker-Bestandteilen aus einem Substrat erhalten.
Der in 4 gezeigte Leistungsverstärker wird im Vergleich zu dem in 5 gezeigten herkömmlichen Leistungsverstärker kleiner gemacht. Da das herkömmliche Leistungsverstärker-Substrat aus einem Einschicht-Substrat 410 gebildet ist, können Drähte und Schaltungselemente nur auf einer Substratfläche vorgesehen werden, wodurch eine große Fläche benötigt wird. Da in dem Laminatsubstrat, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird, die Drähte und Schaltungselemente bei Bedarf im Innern des Substrats vorgesehen werden können, kann man einen Leistungsverstärker erhalten, der kompakter als der herkömmliche Leistungsverstärker ist.
Wie oben beschrieben wurde, ist das mit den erfindungsgemäßen Metallisierungsschichten im Innern versehene Laminatsubstrat dadurch gekennzeichnet, dass es große Abmessungen hat, jedoch weder eine Verziehung noch eine Verformung aufweist. So ist z.B. die Verziehung nach dem Brennen in dem großflächigen Laminatsubstrat 60 der vier 75mm × 75mm-Schichten 40μm oder weniger. Daher kann der Leistungsverstärker mit einer hohen Produktionseffizienz hergestellt werden, wobei ein derartig großflächiges Laminatsubstrat verwendet wird. Darüber hinaus kann der Leistungsverstärker miniaturisiert werden.
In dem obigen Ausführungsbeispiel wurden als Schaltungsaufbau, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird, der Tiefpassfilter-Koppler und der Leistungsverstärker beschrieben, doch kann die vorliegende Erfindung auch zusätzlich bei einer Schaltung aus einem Tiefpassfilter, einem Hochpassfilter oder einem anderen Filter oder einer anderen Mikrowellenschaltung verwendet werden.
Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das vorgenannten Ausführungsbeispiel beschränkt und es versteht sich, dass es auf verschiedene Weise abgewandelt werden kann, ohne dass man den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung verlässt.

Claims

Glaskeramische Zusammensetzung, bei der ein Gewichtsverhältnis eines Glases und einer Keramik 40 zu 60 : 60 zu 40 ist, wobei das Glas zusammengesetzt ist aus: 40 bis 60 Gew% SiO₂; 5 bis 9 Gew% Al₂O₃; 1 bis 10 Gew% B₂O₃; 3 bis 5 Gew% Na₂O + K₂O; 3 bis 15 Gew% CaO + MgO + ZnO; und 27 bis 40 Gew% PbO, und wobei das Glas kein Li₂O enthält, und wobei ein Erweichungspunkt des Glases im Bereich von 650 bis 685°C liegt.
Glaskeramische Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz zwischen dem Erweichungspunkt und einer Fliessgrenze des Glases 95°C oder größer ist.
Glaskeramische Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangspunkt des Glases im Bereich von 520 bis 620°C liegt.
Glaskeramische Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Mullit, Magnesiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Spinell, Forsterit, Strontiumtitanat oder Kalziumtitanat oder ein Gemisch hiervon ist.
Schaltungssubstrat, welches aufweist: ein Laminat-Substrat (10, 41, 60), das durch Laminieren einer Vielzahl isolierender Substrate (12, 12a–12c, 42a–42c) gebildet ist; und eine Leiterschaltung (14a, 14b, 20a–20c, 22, 54), die auf mindestens einer Oberfläche von jedem der Vielzahl der isolierenden Substrate (12, 12a–12c, 42a–42d) gebildet ist, wobei das isolierende Substrat (12, 12a–12c, 42a–42d) aus der glaskeramischen Zusammensetzung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4 gebildet ist.
Schaltungssubstrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschaltung (14a, 14b, 20a–20c, 22, 44) einen Ag- oder Au-Systemleiter aufweist.
Schaltungssubstrat nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Laminat-Substrat (10, 41, 60) die auf einer Oberfläche eines isolierenden Substrats (12, 12a-12c, 42a–42d) gebildete Leiterschaltung (14a, 14b, 20a–20c, 22, 54) über einen Zwischenschicht-Leiter (13, 16, 56) elektrisch verbunden ist mit der auf einer Oberfläche eines anderen isolierenden Substrats (12, 12a–12c, 42a–42d) gebildeten Leiterschaltung (14a, 14b, 20a–20c, 22, 54).
Schaltungssubstrat nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschaltung (14a, 14b, 20a–20c, 22) eine Induktivitätsschaltung (14a, 14b) oder eine Kapazitätsschaltung (20a–20c, 22) hat.
Verfahren zum Herstellen eines Schaltungssubstrats, welches die folgenden Schritte aufweist: Vorbereiten einer grünen Lage, die aus der glaskeramischen Zusammensetzung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4 besteht; Bilden einer System-Leiterschicht aus Ag oder Au zumindest auf einer Oberfläche der grünen Lage; Laminieren einer Vielzahl grüner Lagen, die jeweils die Leiterschicht darauf ausgebildet haben; und Brennen der laminierten grünen Lagen bei einer Brenntemperatur im Bereich von 800 bis 930°C unter einer oxidierenden Atmosphäre.