EP1527027A1 - Glas-keramik-verbundwerkstoff, keramische folie, schichtverbund oder mikrohybrid mit diesem verbundwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Glas-keramik-verbundwerkstoff, keramische folie, schichtverbund oder mikrohybrid mit diesem verbundwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number
EP1527027A1
EP1527027A1 EP03722242A EP03722242A EP1527027A1 EP 1527027 A1 EP1527027 A1 EP 1527027A1 EP 03722242 A EP03722242 A EP 03722242A EP 03722242 A EP03722242 A EP 03722242A EP 1527027 A1 EP1527027 A1 EP 1527027A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
glass
weight
ceramic
composite material
matrix
Prior art date
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Ceased
Application number
EP03722242A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heike Schluckwerder
Ulrich Eisele
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1527027A1 publication Critical patent/EP1527027A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C14/00Glass compositions containing a non-glass component, e.g. compositions containing fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like, dispersed in a glass matrix
    • C03C14/004Glass compositions containing a non-glass component, e.g. compositions containing fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like, dispersed in a glass matrix the non-glass component being in the form of particles or flakes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2214/00Nature of the non-vitreous component
    • C03C2214/20Glass-ceramics matrix

Definitions

  • the invention relates to a glass-ceramic composite material, a ceramic film, a ceramic layer composite or a micro hybrid with this glass-ceramic composite material and a method for producing the composite material or the components comprising the same according to the type of the independent claims.
  • Substrate materials for LTCC applications have been developed in recent years primarily with the aim of reducing the sintering temperature in order to cofiring, ie sintering the entire composite in one step, with low-melting metals such as silver, while maintaining compatibility with the metal, and further aimed to improve the dielectric properties of the LTCC substrates, particularly for high-frequency applications, and to increase their thermal conductivity with regard to heat dissipation from the LTCC substrates.
  • a glass-aluminum nitride composite material is known from EP 0 499 865 A1, which has a comparatively high thermal conductivity at a low sintering temperature and good dielectric properties.
  • This composite material is based on a glass powder with silicon dioxide, aluminum oxide, boron oxide and an alkaline earth metal oxide such as MgO, CaO or SrO, to which aluminum nitride has been added as a ceramic powder component.
  • an alkaline earth metal oxide such as MgO, CaO or SrO
  • cordierite is used in the case of MgO and CaO in the case of using Anorthite is formed, while the glass matrix is depleted of silicon, magnesium and aluminum.
  • the object of the present invention was to provide a glass-ceramic composite material, in particular a substrate material for LTCC applications, which can be processed into a ceramic film or used in a ceramic layer composite or in a micro hybrid, and which has a high overall thermal conductivity, if possible in the Range from 8 W / mK to 12 W / mK.
  • the glass-ceramic composite material according to the invention has the advantage over the prior art that it is very well suited as a substrate material for LTCC substrates and for the construction of micro-hybrids with such substrates, and that it has a thermal conductivity in comparison with conventional LTCC substrate materials Usually lies between 2 W / mK to 3 W / mK, has significantly increased thermal conductivity, in particular in the favorable range from 8 W / mK to 12 W / mK.
  • a ceramic layer composite produced with the glass-ceramic composite material according to the invention or a micro hybrid based on an LTCC substrate with this glass-ceramic composite material thus offers the possibility of saving thermal vias and achieving a higher integration density.
  • the silver that is usually used for filling the thermal vias is also partially saved by reducing the number thereof.
  • the ceramic filler is aluminum nitride, which has an average powder particle size of 100 nm to 10 ⁇ m, in particular 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, having.
  • the filler can be uncoated aluminum nitride, which has, for example, an average particle size of 1 ⁇ m to 3 ⁇ m or, preferably, coated aluminum nitride with an average particle size of, for example, 6 ⁇ m to 7 ⁇ m, the coating preferably having a hydrophobic surface modification or an oxygen-containing one Surface coating is.
  • the aluminum nitride powder used has an oxygen content of 0.5% by weight to 2.0% by weight, in particular due to the oxygen-containing surface coating, it generally being the case that a lower oxygen content leads to an increased thermal conductivity of the aluminum nitride ceramic powder used leads.
  • the matrix has a Li-Al-Si 2 0 3 mixed crystal and / or a Li-Al-Si oxynitride and / or a Li-Al silicate and / or a lithium silicate as crystalline phase as the crystalline phase , and also consists of a residual glass phase in which nitrogen can be dissolved at least in small proportions. It is particularly advantageous if the matrix contains as little or as little lithium silicate as possible.
  • the proportion of the ceramic filler in the composite material is preferably between 25 vol.% And 70 vol.%, In particular 30 vol.% To 50 vol.%.
  • a thermal conductivity in the desired range of 8 W / mK to 12 W / mK can be set particularly easily via the filler components.
  • FIG. 1 shows a top view of a micro hybrid with an LTCC film as the ceramic substrate.
  • FIG. 1 shows a micro hybrid 5, known in principle, with a ceramic substrate 10 in the form of an LTCC film or an LTCC layer composite, the sub- strat 10 has thermal feedthroughs 14, so-called “thermal vias” in some areas, which pass through the substrate 10 and which are filled with a metal, for example silver. with which conductor tracks 12 guided on the upper side of the substrate 10 can be contacted from the lower side of the substrate 10. Finally, a printed resistor 13, which is likewise connected to the printed conductor tracks 12, is shown as an example on the upper side of the substrate 10.
  • the core of the invention is the provision of a glass-ceramic composite material for producing the substrate 10 according to FIG. 1.
  • a glass is first made from a starting mixture with 20% by weight to 68% by weight SiO 2 , 10% by weight to 25% by weight A1 2 0 3 , 5% by weight to 25% by weight Li 2 0.0% by weight % to 33% by weight B 2 0 3 , 0% by weight to 10% by weight P 2 0 5 , 0% by weight to 10% by weight Sb 2 0 3 and 0% by weight to 3% by weight Zr0 2 melted.
  • the starting mixture preferably consists of 48 wt.% To 66 wt.% SiO 2 , 14 wt.% To 22 wt.% A1 2 0 3 , 4 wt.% To 20 wt.% Li 2 0. 0 wt.% To 20 %
  • constituents B 2 0 3 , P 2 0 5 , Sb 2 0 3 and Zr0 2 these are particularly preferred in a proportion of 3% by weight to 20% by weight of B 2 0 3 and / or 2% by weight 5% by weight of P 2 0 5 and / or 1% by weight to 5% by weight of Sb 2 0 3 and / or 1% by weight to 2% by weight of Zr0 2 were added.
  • the starting mixture consists of 65% by weight Si0 2 , 15% by weight A1 2 0 3 and 20% by weight Li 2 0.
  • the starting mixture consists of 65% by weight Si0 2 , 15% by weight A1 2 0 3 , 12% by weight Li 2 0 and 8% by weight B 2 0 3 .
  • the starting mixture consists of 50% by weight Si0 2 , 16% by weight A1 2 0 3 , 12% by weight Li 2 0 and 20% by weight B 2 0 3 .
  • the starting mixture consists of 65% by weight SiO 2 , 21% by weight A1 2 0 3 , 4% by weight Li 2 O, 4% by weight B 2 0 3 , 4% by weight P 2 0 5 and 2% by weight Zr0 2 .
  • a matrix which contains lithium, silicon, aluminum and oxygen and which has at least one crystalline phase in some areas.
  • This crystalline phase is, for example, a Li-Al-Si 2 0 3 mixed crystal, a Li-Al-Si oxynitride, a Li-Al silicate, a lithium silicate or a plurality of such crystalline phases.
  • the non-crystalline areas of the matrix further form a residual glass phase in which nitrogen can be dissolved in small proportions.
  • the powder components used in the starting mixture are first homogenized and melted at temperatures between 1200 ° C and 1600 ° C. After the melt has been homogenized, it is then poured off, for example, in water, i.e. fritted, and the glass thus obtained is ground until an average grain size of approximately 1 ⁇ m to 5 ⁇ m, for example 3 ⁇ m, is present. Subsequently, powdered aluminum nitride with an average particle size of 100 nm to 10 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, is added to this glass powder as a ceramic filler.
  • one of the glass powders described above and aluminum nitride powder as the ceramic filler is homogenized in an organic solvent such as isopropanol, the powder mixture obtained in this way is first dried and then subjected to a shaping, for example uniaxial pressing.
  • the resulting compact is then sintered in air, nitrogen or a gas mixture containing oxygen and / or nitrogen at temperatures of at most 1050 ° C., so that finally a densely sintered glass-ceramic composite material is obtained, in which in a glass-like matrix has crystalline phases in some areas, which are embedded in ceramic aluminum nitride particles.
  • the thermal conductivity of this glass-ceramic composite was then determined using the "hot-disc method". It was found that this depends on the proportion of the ceramic filler added.
  • the thermal conductivity in the glass-ceramic composite material increases with an increasing proportion of aluminum nitrite.
  • the stagnant value of the thermal conductivity with a composition of 65 vol.% Glass and 35 vol.% Aluminum nitride is attributed to a high proportion of crystalline lithium silicate formed. It is therefore advantageous if the glass-ceramic composite material contains as little or no lithium silicate as possible.
  • the test for crystalline phases within the matrix of the glass-ceramic composite and the detection of these phases were carried out by X-ray diffractometry and scanning electron microscopy.
  • a ceramic layer composite or the micro-hybrid 5 with the substrate 10 from the above-described glass-ceramic composite material one of the described glasses is first produced, ground to the described grain size and mixed with the described ceramic filler aluminum nitride. Thereafter, further components known per se, such as a solvent, an organic binder and preferably also a dispersant, are preferably added to the powder mixture, and the mixture is shaped, in particular to form a film, a layer or a layer composite. The shaping is then preferably followed by debinding and then sintering of the film, layer or layer composite at a maximum of 1050 ° C. in air, nitrogen or a gas mixture containing oxygen and / or nitrogen.
  • further components known per se such as a solvent, an organic binder and preferably also a dispersant

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Abstract

Es wird ein Glas-Keramik-Verbundwerkstoff mit einer zumindest bereichsweise glasarti­gen Matrix und einem keramischen Füllstoff sowie eine keramische Folie, ein kerami­scher Schichtverbund oder Mikrohybrid (5) mit diesem Verbundwerkstoff vorgeschlagen, wobei die Matrix Lithium, Silizium, Aluminium und Sauerstoff enthält und zumindest be­reichsweise mindestens eine kristalline Phase aufweist. Weiter wird ein Verfahren zu des­sen Herstellung vorgeschlagen, wobei ein Glas mit kristallinen Bereichen aus einer Aus­gangsmischung mit 30 Gew.% bis 68 Gew.% Si02, 10 Gew.% bis 25 Gew.% A1203, 5 Gew.% bis 20 Gew.% Li02, 0 Gew.% bis 35 Gew.% B203, 0 Gew.% bis 10 Gew.% P205, 0 Gew.% bis 10 Gew.% Sb203 und 0 Gew.% bis 3 Gew.% Zr02 erschmolzen und in ein Glaspulver überführt wird, dem Glaspulver dann ein keramischer Füllstoff, insbe­sondere pulverförmiges Aluminiumnitrid, zugemischt, und diese Pulvermischung, insbe­sondere nach Zusatz weiterer Bestandteile, schliesslich gesintert wird.

Description

Glas-Keramik-Verbundwerkstoff, keramische Folie, Schichtverbund oder Mikrohybrid mit diesem Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Glas-Keramik- Verbundwerkstoff, eine keramische Folie, einen keramischen Schichtverbund oder ein Mikrohybrid mit diesem Glas-Keramik- Verbundwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes bzw. der diesen aufweisenden Bauteile nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Substratwerkstoffe für LTCC-Anwendungen („low temperature co-fired ceramics") wurden in den letzten Jahren vor allem mit dem Ziel entwickelt, die Sintertemperatur zu reduzieren, um ein Cofiring, d.h. ein Sintern des gesamten Werkstoffverbundes in einem Schritt, mit niedrig schmelzenden Metallen wie beispielsweise Silber zu ermöglichen. Dabei sollte gleichzeitig die Verträglichkeit mit dem Metall gewährleistet bleiben. Weiter war es Ziel, die dielektrischen Eigenschaften der LTCC-Substrate besonders für Anwendungen im Hochfrequenzbereich zu verbessern, und ihre Wärmeleitfähigkeit hinsichtlich Wärmeableitung von den LTCC-Substraten zu erhöhen.
Aus EP 0 499 865 AI ist ein Glas-Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff bekannt, der eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit bei niedriger Sintertemperatur und guten dielektrischen Eigenschaften aufweist. Dieser Verbundwerkstoff geht von einem Glaspulver mit Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Boroxid und einem Erdalkalimetalloxid wie MgO, CaO oder SrO aus, dem Aluminiumnitrid als keramischer Pulverbestandteil zugesetzt ist. Bei dem Sintern der Ausgangsmischung zu dem Verbundwerkstoff gemäß EP 0 499 865 AI wird im Fall der Verwendung von MgO Cordierit, im Fall der Verwendung von CaO Anorthit gebildet, während die Glasmatrix an Silizium, Magnesium und Aluminium verarmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines Glas-Keramik- Verbundwerkstoffes, insbesondere eines Substratwerkstoffes für LTCC-Anwendungen, der zu einer keramischen Folie verarbeitbar bzw. in einem keramischen Schichtverbund oder in einem Mikrohybrid einsetzbar ist, und der eine hohe Gesamtwärmeleitfähigkeit, möglichst in dem Bereich von 8 W/mK bis 12 W/mK, aufweist.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Glas-Keramik- Verbundwerkstoff hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass er sich sehr gut als Substratmaterial für LTCC-Substrate und zum Aufbau von Mikrohybriden mit derartigen Substraten eignet, und dass er insbesondere eine gegenüber herkömmlichen LTCC-Substratwerkstoffen, deren Wärmeleitfähigkeit üblicherweise zwischen 2 W/mK bis 3 W/mK liegt, deutlich erhöhte Wärmeleitfähigkeit, insbesondere in dem günstigen Bereich von 8 W/mK bis 12 W/mK, aufweist. Auf diese Weise kann die Anzahl von erforderlichen Wärmeableitungen, die im Fall von Mikrohybriden in der Regel als thermische Durchführungen bzw. sogenannte „thermische Vias", d.h. das Substrat durchquerende, mit einem Metall gefüllte Kanäle, ausgeführt sind, reduziert werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Baugröße derartiger Mikrohybride deutlich zu verringern bzw. die Layout-Dichte zu erhöhen.
Ein mit dem erfmdungsgemäßen Glas-Keramik- Verbundwerkstoff hergestellter keramischer Schichtverbund oder ein Mikrohybrid auf der Grundlage eines LTCC-Substrates mit diesem Glas-Keramik- Verbundwerkstoff bietet somit die Möglichkeit, thermische Vias einzusparen und eine höhere Integrationsdichte zu erzielen. Schließlich wird auch das zum Ausfüllen der thermischen Vias üblicherweise eingesetzte Silber durch Verringerung von deren Zahl teilweise eingespart.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist besonders vorteilhaft, wenn der keramische Füllstoff Aluminiumnitrid ist, das eine mittlere Pulverteilchengröße von 100 nm bis 10 μm, insbesondere von 1 μm bis 10 μm, aufweist. Der Füllstoff kann dabei unbeschichtetes Aluminiumnitrid sein, das beispielsweise eine mittlere Teilchengröße von 1 μm bis 3 μm aufweist oder, bevorzugt, beschichtetes Aluminiumnitrid mit einer mittleren Teilchengröße von beispielsweise 6 μm bis 7 μm, wobei die Beschichtung bevorzugt eine hydrophobierende Oberfiächenmodifϊ- kation oder eine sauerstoffhaltige Oberflächenbeschichtung ist. Besonders vorteilhaft ist, wenn das eingesetzte Aluminiumnitridpulver insbesondere aufgrund der sauerstoffhalti- gen Oberflächenbeschichtung einen Sauerstoffgehalt von 0,5 Gew.% bis 2,0 Gew.% aufweist, wobei generell gilt, dass ein niedrigerer Sauerstoffgehalt zu einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit des eingesetzten Aluminiumnitrid-Keramikpulvers führt.
Vorteilhaft ist daneben, wenn die Matrix als kristalline Phase einen Li-Al-Si203- Mischkristall und/oder ein Li-Al-Si-Oxinitrid und/oder ein Li-Al-Silikat und/oder ein Lithiumsilikat als kristalline Phase aufweist, sowie weiterhin aus einer Restglasphase besteht, in der zumindest in geringen Anteilen Stickstoff lösbar ist. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Matrix möglichst kein oder möglichst wenig Lithiumsilikat enthält.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn in die Ausgangsmischung auch B203 eingesetzt wird, so dass zumindest bereichsweise ein Li-B-Oxid als kristalline Phase in der Matrix entstehen kann.
Der Anteil des keramischen Füllstoffs in dem Verbundwerkstoff liegt bevorzugt zwischen 25 Vol.% und 70 Vol.%, insbesondere 30 Vol.% bis 50 Vol.%. Über den Füllstoffanteile lässt sich besonders einfach eine Wärmeleitfähigkeit im angestrebten Bereich von 8 W/mK bis 12 W/mK einstellen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine Draufsicht auf ein Mikrohybrid mit einer LTCC-Folie als Keramiksubstrat.
Ausführungsbeispiele
Die Figur 1 zeigt ein prinzipiell bekanntes Mikrohybrid 5 mit einem keramischen Substrat 10 in Form einer LTCC-Folie oder eines LTCC-Schichtverbundes, wobei das Sub- strat 10 bereichsweise thermische Durchführungen 14, sogenannte „thermische Vias" aufweist, die das Substrat 10 durchqueren und die mit einem Metall, beispielsweise Silber, gefüllt sind. Weiter sind auch das Substrat 10 durchquerende elektrische Durchführungen 11, sogenannte „elektrische Vias", vorgesehen, mit denen auf der Oberseite des Substrates 10 geführte Leiterbahnen 12 von der Unterseite des Substrates 10 kontaktier- bar sind. Schließlich ist auf der Oberseite des Substrates 10 exemplarisch ein aufgedruckter Widerstand 13 dargestellt, der ebenfalls mit den aufgedruckten Leiterbahnen 12 verbunden ist.
Kern der Erfindung ist die Bereitstellung eines Glas-Keramik- Verbundwerkstoffes zur Herstellung des Substrates 10 gemäß Figur 1.
Dazu wird zunächst ein Glas aus einer Ausgangsmischung mit 20 Gew.% bis 68 Gew.% Si02, 10 Gew.% bis 25 Gew.% A1203, 5 Gew.% bis 25 Gew.% Li20, 0 Gew.% bis 33 Gew.% B203, 0 Gew.% bis 10 Gew.% P205, 0 Gew.% bis 10 Gew.% Sb203 und 0 Gew.% bis 3 Gew.% Zr02 erschmolzen.
Bevorzugt besteht die Ausgangsmischung aus 48 Gew.% bis 66 Gew.% Si02, 14 Gew.% bis 22 Gew.% A1203, 4 Gew.% bis 20 Gew.% Li20, 0 Gew.% bis 20 Gew.% B203, 0 Gew.% bis 5 Gew.% P205, 0 Gew.% bis 5 Gew.% Sb203 und 0 Gew.% bis 2 Gew.% Zr02.
Besonders bevorzugt werden im Fall der Bestandteile B203, P205, Sb203 und Zr02 diese in einem Anteil von 3 Gew.% bis 20 Gew.% B203 und/oder 2 Gew.% bis 5 Gew.% P205 und/oder 1 Gew.% bis 5 Gew.% Sb203 und/oder 1 Gew.% bis 2 Gew.% Zr02 zugesetzt.
Im Rahmen eines ersten Ausführungsbeispiels besteht die Ausgangsmischung aus 65 Gew.% Si02, 15 Gew.% A1203 und 20 Gew.% Li20.
Im Rahmen eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels besteht die Ausgangsmischung aus 65 Gew.% Si02, 15 Gew.% A1203, 12 Gew.% Li20 und 8 Gew.% B203.
In einem dritten Ausführungsbeispiel besteht die Ausgangsmischung aus 50 Gew.% Si02, 16 Gew.% A1203, 12 Gew.% Li20 und 20 Gew.% B203. Bei einem vierten Ausführungsbeispiel besteht die Ausgangsmischung aus 65 Gew.% Si02, 21 Gew.% A1203, 4 Gew.% Li2O, 4 Gew.% B203, 4 Gew.% P205 und 2 Gew.% Zr02.
Bei der Herstellung des Glases aus dieser Ausgangsmischung entsteht eine Matrix, die Lithium, Silizium, Aluminium und Sauerstoff enthält, und die bereichsweise mindestens eine kristalline Phase aufweist. Diese kristalline Phase ist beispielsweise ein Li-Al-Si203- Mischkristall, ein Li-Al-Si-Oxinitrid, ein Li-Al-Silikat, ein Lithiumsilikat oder eine Mehrzahl von derartigen kristallinen Phasen. Die nicht kristallinen Bereiche der Matrix bilden weiter eine Restglasphase, in der in geringen Anteilen Stickstoff lösbar ist.
Zur Herstellung der vorgenannten Gläser werden zunächst die in die Ausgangsmischung eingesetzten Pulverbestandteile homogenisiert und bei Temperaturen zwischen 1200°C und 1600°C geschmolzen. Nach einer Homogenisierung der Schmelze wird diese dann beispielsweise in Wasser abgegossen, d.h. gefrittet, und das so erhaltene Glas aufgemahlen bis eine mittlere Korngröße von ca. 1 μm bis 5 μm, beispielsweise 3 μm, vorliegt. Anschließend wird diesem Glaspulver als keramischer Füllstoff pulverförmiges Aluminiumnitrid mit einer mittleren Teilchengröße von 100 nm bis 10 μm, vorzugsweise 1 μm bis 10 μm zugesetzt.
Im Rahmen eines ersten Ausfuhrungsbeispiels zur Herstellung des Glas-Keramik- Verbundwerkstoffes aus dem Glaspulver und dem keramischen Füllstoff wird eines der vorstehend beschriebenen Glaspulver und als keramischer Füllstoff Aluminiumnitrid- Pulver in einem organischen Lösungsmittel wie Isopropanol homogenisiert, die so erhaltene Pulvermischung zunächst getrocknet, und anschließend einer Formgebung, beispielsweise einem uniaxialen Verpressen, unterzogen.
Anschließend wird der erhaltene Presskörper dann an Luft, Stickstoff oder einem Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Gasgemisch bei Temperaturen von maximal 1050°C gesintert, so dass man abschließend einen dicht gesinterten Glas-Keramik- Verbundwerkstoff erhält, in dem in einer glasartigen Matrix, die bereichsweise kristalline Phasen aufweist, die keramischen Aluminiumnitrid-Partikel eingebettet sind. An diesem Glas-Keramik- Verbundwerkstoff dann wurde mit Hilfe des "Hot-Disc- Verfahrens" die Wärmeleitfähigkeit bestimmt. Dabei zeigte sich, dass diese von dem Anteil des zugesetzten keramischen Füllstoffes abhängig ist.
So wurde bei einem Glas mit 65 Gew.% Si02, 15 Gew.% A1203 und 20 Gew.% Li20 in der Ausgangsmischung zur Herstellung des Glases und einem Anteil von 70 Vol.% dieses Glases und 30 Vol.% Aluminiumnitrid-Teilchen in dem Glas-Keramik- Verbundwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von 9,1 W/mK, bei einem Anteil von 65 Vol.% dieses Glases und 35 Vol.% der Aluminiumnitrid-Teilchen eine Wärmeleitfähigkeit von 8,9 W/mK und bei 60 Vol.% dieses Glases und 40 Vol.% der Aluminiumnitrid-Teilchen eine Wärmeleitfähigkeit von 12,5 W/mK ermittelt.
Generell zeigt sich, dass die Wärmeleitfähigkeit in dem Glas-Keramik- Verbundwerkstoff mit zunehmendem Anteil an Aluminiumnitrit steigt.
Der bei einer Zusammensetzung von 65 Vol.% Glas und 35 Vol.% Aluminiumnitrid stagnierende Wert der Wärmeleitfähigkeit wird auf einen hohen Anteil von gebildetem kristallinem Lithiumsilikat zurückgeführt. Daher ist es günstig, wenn der Glas-Keramik- Verbundwerkstoff möglichst wenig oder kein Lithiumsilikat enthält.
Die Prüfung auf kristalline Phasen innerhalb der Matrix des Glas-Keramik- Verbundwerkstoffes und der Nachweis dieser Phasen erfolgten im Übrigen durch Rönt- gendiffraktometrie und Rasterelektronenmikroskopie.
Zur Herstellung einer keramischen Folie, eines keramischen Schichtverbundes oder des Mikrohybrides 5 mit dem Substrat 10 aus dem vorstehend beschriebenen Glas-Keramik- Verbundwerkstoff wird zunächst eines der beschriebenen Gläser hergestellt, auf die beschriebene Korngröße aufgemahlen und mit dem beschriebenen keramischen Füllstoff Aluminiumnitrid vermischt. Danach werden der Pulvermischung bevorzugt weitere, an sich bekannte Bestandteile wie ein Lösungsmittel, ein organischer Binder sowie vorzugsweise auch ein Dispergator zugesetzt, und es erfolgt eine Formgebung der Mischung, insbesondere zu einer Folie, einer Schicht oder einem Schichtverbund. An die Formgebung schließt sich dann bevorzugt zunächst eine Entbinderung und danach ein Sintern der Folie, Schicht oder des Schichtverbundes bei maximal 1050°C an Luft, Stickstoff oder einem Sauerstoff und/oder Stickstoff enhaltenden Gasgemisch an. Auf diese Weise wird der zugesetzte Binder bzw. das Lösungsmittel sowie der Dispergator zumindest weitgehend durch Pyrolyse wieder entfernt, so dass ein von diesen temporären Bestandteilen weitgehend freier Glas-Keramik-Verbundwerkstoff in der gewünschten Form entsteht. Auf der so beispielsweise hergestellten Folie, die als Substrat 10 für das Mikrohybrid 5 dient, wird dieses dann in üblicher Weise in Aufbautechnik aufgebaut.

Claims

Patentansprüche
1. Glas-Keramik- Verbundwerkstoff mit einer zumindest bereichsweise glasartigen Matrix und einem keramischen Füllstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix Lithium, Silizium, Aluminium und Sauerstoff enthält und zumindest bereichsweise mindestens eine kristalline Phase aufweist.
2. Glas-Keramik- Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix 20 Gew.% bis 68 Gew.% Si02, 10 Gew.% bis 25 Gew.% A1203,
5 Gew.% bis 25 Gew.% Li20, 0 Gew.% bis 35 Gew.% B203, 0 Gew.% bis 10 Gew.% P205, 0 Gew.% bis 10 Gew.% Sb203 und 0 Gew.% bis 3 Gew.% Zr02 enthält oder aus einer diese Stoffe enthaltenden oder daraus bestehenden Ausgangsmischung erschmolzen ist.
3. Glas-Keramik- Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix 48 Gew.% bis 66 Gew.% Si02, 14 Gew.% bis 22 Gew.% A1203,
4 Gew.% bis 20 Gew.% LizO, 0 Gew.% bis 20 Gew.% B203, 0 Gew.% bis 5 Gew.% P205, 0 Gew.% bis 5 Gew.% Sb203 und 0 Gew.% bis 2 Gew.% Zr02 enthält oder aus einer diese Stoffe enthaltenden oder daraus bestehenden Ausgangsmischung erschmolzen ist.
4. Glas-Keramik- Verbundwerkstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix 3 Gew.% bis 33 Gew.% B203 und/oder 2 Gew.% bis 5 Gew.% P205 und/oder 1 Gew.% bis 5 Gew.% Sb203 und/oder 1 Gew.% bis 2 Gew.% Zr02 enthält oder aus einer diese Stoffe enthaltenden oder daraus bestehenden Ausgangsmischung erschmolzen ist.
5. Glas-Keramik-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Füllstoff Aluminiumnitrid oder oberflächlich mit einer Beschichtung oder einer Oberflächenmodifikation versehenes Aluminiumntrid, insbesondere mit einer mittleren Teilchengröße von 100 nm bis 10 μm, ist.
6. Glas-Keramik- Verbundwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix als kristalline Phase einen LiAlSi2θ3- Mischkristall, und/oder ein Li-Al-Si-Oxidnitrid und/oder ein Li-Al-Silikat und/oder ein Li-Silikat und/oder ein Li-B-Oxid aufweist.
7. Glas-Keramik- Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix neben der mindestens einen kristallinen Phase eine Restglasphase, insbesondere eine Restglasphase, in der in geringen Anteilen Stickstoff lösbar ist, aufweist.
8. Glas-Keramik- Verbundwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des keramischen Füllstoffes in dem Verbundwerkstoff zwischen 25 Vol.% und 60 Vol.%, insbesondere 30 Vol.% bis 50 Vol.%, liegt.
9. Glas-Keramik- Verbundwerkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von
8 W/mK bis 12 W/mK aufweist.
10. Keramische Folie, keramischer Schichtverbund oder Mikrohybrid mit einem Glas-Keramik- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
11. Verfahren zur Herstellung eines Glas-Keramik-Verbundwerkstoffes, einer keramischen Folie, eines keramischen Schichtverbundes oder eines Mikrohybrides nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Glas mit kristallinen Bereichen aus einer Ausgangsmischung mit 20 Gew.% bis 68 Gew.% Si02, 10 Gew.% bis 25 Gew.% A1203, 5 Gew.% bis 20 Gew.% LizO, 0 Gew.% bis 35 Gew.% B203, 0 Gew.% bis 10 Gew.% P205, 0 Gew.% bis 10 Gew.% Sb203 und 0 Gew.% bis 3 Gew.% Zr02 erschmolzen und in ein Glaspulver überfuhrt, dem Glaspulver ein keramischer Füllstoff, insbesondere pul- verföπniges Aluminiumnitrid, zugemischt, und diese Pulvermischung, insbesondere nach Zusatz weiterer Bestandteile, gesintert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung vor dem Sintern verpresst oder insbesondere zu einer Folie, einer Schicht oder einem Schichtverbund geformt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern bei Temperaturen von maximal 1050°C an Luft, Stickstoff oder in einem Sauerstoff und/oder Stickstoff enthaltenden Gasgemisch erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulvermischung vor dem Sintern in einem Lösungsmittel unter Einsatz eines Disper- gators aufbereitet wird, und dass insbesondere zu einer Weiterverarbeitung ein organischer Binder zugesetzt wird.
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