ES2213273T3 - Composiciones de revestimiento de nitruro de silicio. - Google Patents

Composiciones de revestimiento de nitruro de silicio.

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Abstract

La presente invención se refiere a una composición de película de recubrimiento gruesa que se adhiere particularmente bien a sustratos de nitruro de silicio y por consiguiente se puede emplear en la fabricación de aparatos de calefacción que empleen dichos sustratos. Esta película gruesa de recubrimiento de materiales comprende una matriz vítrea de borosilicato que contiene una cantidad suficiente de óxido de metal para hacer posible que esta película de recubrimiento reaccione con un sustrato de nitruro de silicio para producir la adherencia a éste; y más deseablemente contiene polvos de cerámica y/o polvos que contienen metal.

Description

Composiciones de revestimiento de nitruro de silicio.
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
Esta solicitud reivindica prioridad de la Solicitud Provisional U.S. 60/041.331, presentada el 21 de marzo de 1997.
Declaración en cuanto a investigación y desarrollo patrocinados federalmente
N/A
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a composiciones que son útiles como revestimientos dieléctricos o conductores para sustratos y que sorprendentemente se ha encontrado que son particularmente adherentes a sustratos de nitruro de silicio.
Las industrias electrónicas y eléctricas han puesto exigencias crecientes a los sustratos para transferir y disipar cantidades mayores y mayores de energía. Se usan materiales de revestimiento dieléctricos y conductores en un número creciente de aplicaciones, incluidos entre ellas circuitos bajo el capó de automóviles, componentes montados en superficie, tableros de circuitos híbridos, módulos multichips, y calentadores, sensores térmicos y reguladores de calor en aplicaciones industriales y domésticas. El nitruro de silicio (Si_{3}N_{4}) es un sustrato deseable para uso en tales aplicaciones, pero los revestimientos dieléctricos o conductores disponibles actualmente no se adhieren bien o establemente al Si_{3}N_{4}, lo que plantea la necesidad de nuevos revestimientos que sean aceptables para este fin. El documento WO-A- 93/06053 se refiere a sustratos de baja constante dieléctrica, incluidas partículas cerámicas revestidas uniformemente con un vidrio de borosilicato.
Breve sumario de la invención
La presente invención se refiere a materiales útiles para revestimientos gruesos de acuerdo con la reivindicación 1, que se pueden aplicar a sustratos, en particular sustratos de nitruro de silicio, de manera que se posibilite su uso deseado en la producción de aparatos tales como calentadores. Los materiales de revestimiento de película gruesa comprenden una matriz de vidrio de borosilicato que contiene PbO o CdO en no más de 25% en peso de la composición de vidrio de borosilicato, que es suficiente para aumentar la adherencia al sustrato de nitruro de silicio, y polvos de materiales cerámicos y/o polvos y/o escamas de metal o de compuestos que contienen metal.
El material de revestimiento de película gruesa de acuerdo con la invención comprende una matriz de vidrio de borosilicato que tiene de 10 a 80% de SiO_{2}; de 7 a 24% de B_{2}O_{3} y PbO o CdO en una cantidad de no más de 25%, todos los porcentajes en relación al peso total del vidrio de borosilicato. La discusión está dirigida además hacia los sustratos de nitruro de silicio sobre los que se han aplicado los materiales de revestimiento de película gruesa descritos aquí, que contienen polvos cerámicos y/o polvos y/o escamas de metal o compuestos que contienen metales.
Descripción detallada de la invención
Los autores de la invención han encontrado que los revestimientos de película gruesa de acuerdo con la reivindicación 1, que comprenden cierta matriz de vidrio de borosilicato cargada de polvos o escamas cerámicos y/o de metales y/o compuestos que contienen metales, poseen las propiedades dieléctricas y/o conductoras necesarias y se pegan bien al Si_{3}N_{4} después de la calcinación, por ejemplo, después de imprimir la configuración. Se cree que la intensificada adherencia al nitruro de silicio está promovida por la presencia de PbO o CdO en una cantidad de no más de 25%, que se cree que es suficiente para atacar la superficie del sustrato de nitruro de silicio y reaccionar con él para aumentar la adherencia, pero es insuficiente para generar una cantidad significativa de gases que se desprenden (produciendo, por ejemplo, dióxido de nitrógeno).
Entre los óxidos metálicos adecuados contenidos en la matriz de vidrio de la reivindicación 1, están incluidos óxido bórico (B_{2}O_{3}), óxido de cobre (CuO o Cu_{2}O), óxido de cadmio (CdO), óxido de plomo (PbO), óxido sódico (Na_{2}O), óxido de bario (BaO), óxido potásico (K_{2}O), óxido cálcico (CaO), óxido magnésico (MgO) u óxido de zinc (ZnO). Si bien el CdO y el PbO están incluidos en la composición de vidrio de la invención, se cree que grandes cantidades de estos óxidos, esto es, más de 25% del peso de la composición de vidrio de borosilicato, así como otros materiales fuertemente fundentes atacan demasiado vigorosamente la superficie del nitruro de silicio, especialmente a las temperaturas de calcinación de la película gruesa deseadas (típicamente en torno a 850ºC), de lo que resulta un desprendimiento excesivo de gases y un daño para la integridad de la película, dando lugar a la formación de ampollas, grietas, etc. Estos óxidos también desplazan más el coeficiente de dilatación térmica lineal del revestimiento que el del sustrato, causando indeseables tensiones en la película.
Un ejemplo de una matriz de vidrio de borosilicato, disponible comercialmente, que se puede usar en la presente invención es un vidrio de borosilicato de zinc asequible de Corning Glass Works (Corning, NY) como Corning 7574. Este material tiene un punto de ablandamiento de 646ºC, significativamente por debajo de la temperatura del pico de calcinación deseado de 850ºC.
Las composiciones de revestimiento de película gruesa incluyen también polvos cerámicos y/o polvos y/o escamas de metal o de un compuesto que contiene un metal, por ejemplo, de metales preciosos tales como plata, oro, paladio y platino; metales de base tales como cobre, níquel, aluminio o cromo; y compuestos de metales preciosos tales como óxidos de rutenio o iridio, o rutenatos. Entre los ejemplos específicos están incluidos dióxido de rutenio, polvo de paladio, polvo de plata, y cargas de óxido de aluminio. La cantidad de tales polvos cerámicos y/o polvos y/o escamas de metal o compuestos que contienen metal es suficiente para impartir la resistencia o conductividad deseadas, y corresponde determinarla a los expertos en la técnica según sus conocimientos.
Una de las aplicaciones consideradas como que están dentro del ámbito de esta descripción es la manufactura de calentadores, en los que las pistas de los calentadores se forman sobre una superficie de nitruro de silicio aplicando un revestimiento conductor de acuerdo con esta descripción. Una manera de hacer esto es la discutida antes, esto es, formar una película conductora que contiene vidrios de acuerdo con esta descripción y carga de polvo o escamas conductoras en un vehículo para imprimir una configuración que se imprime sobre el sustrato con el diseño de pistas deseado y luego calcinar para formar un revestimiento permanente sobre la superficie de nitruro de silicio.
El vehículo o portador de impresión de la configuración puede ser cualquiera de los vehículos orgánicos estándar o medios de impresión típicamente usados en la técnica para la impresión de configuraciones de película gruesa. No es necesario dar aquí una relación de tales vehículos ya que son bien conocidos, y se diseñan simplemente para permitir la aplicación de la película al sustrato; luego se queman durante la calcinación dejando sólo los materiales inorgánicos mencionados antes. Por ejemplo, los autores de la invención han usado un vehículo que comprendía etilcelulosa disuelta en Texanol (ácido 2-metilpropiónico, monoéster conel 2,2,4-trimetil-1,3-
pentanodiol).
Las películas o los revestimientos protectores o dieléctricos descritos aquí, hechos de materiales de revestimiento de película gruesa, pueden formarse aplicando estos materiales en forma de polvo en un vehículo o portador de impresión de configuraciones y luego calcinando para formar un revestimiento protector o dieléctrico. Se pueden añadir también a las composiciones descritas aquí cargas dieléctricas (vidrio o materiales cerámicos), con puntos de ablandamiento mucho más altos, para lograr una mayor aspereza, mayor opacidad u otras propiedades eléctricas y físicas específicas.
También pueden añadirse, si se desea, otros compuestos que no afectan perjudicialmente a las ventajosas propiedades de la composición básica, tales como carbonato cálcico (CaCO_{3}).
Los revestimientos aquí descritos se pueden añadir a cualquier material sustrato de base, tal como nitruro de silicio. Preferiblemente, las propiedades de los revestimientos se ajustan al sustrato, por ejemplo, el coeficiente de dilatación térmica, de manera que el revestimiento se adhiera bien al sustrato y no se rompa o despegue después de calentamiento y enfriamiento. Es deseable que los materiales de revestimiento de película gruesa descritos aquí tengan un coeficiente de dilatación térmica aproximado al del nitruro de silicio, por ejemplo, de 3 a 4 ppm/ºC, de manera que, bajo las condiciones del programa de calcinación de la producción del dispositivo y de uso del dispositivo final, el dispositivo no se despegue ni se formen ampollas o grietas. Las composiciones de película gruesa que se han descrito tienen esta propiedad.
Los calentadores de bajo perfil, en los que se usan sustratos revestidos de nitruro de silicio según se ha descrito aquí, pueden hacerse imprimiendo configuraciones de elementos de calentamiento de una resistencia deseada, de materiales de revestimiento de película gruesa descritos según una configuración deseada que proporcione la uniformidad de la temperatura y un potencial de calentamiento deseados. Los bloques conductores de contacto que se pueden hacer también de los materiales de revestimiento de película gruesa descritos aquí, se imprimen y calcinan en contacto con las pistas de calentamiento para permitir el suministro de corriente.
Debe tenerse en cuenta que la invención no debe limitarse a las realizaciones preferentes de la invención aquí descrita. Los expertos corrientes en la técnica podrán identificar otras realizaciones y variaciones sin desviarse de los conceptos inventivos contenidos aquí.

Claims (12)

1. Un material de revestimiento de película gruesa, que comprende una matriz de vidrio de borosilicato que contiene un óxido metálico, incluido PbO o CdO, matriz de vidrio de borosilicato que contiene de 10 a 80% de SiO_{2} y de 7 a 24% de B_{2}O_{3}, caracterizado porque la cantidad de óxido de plomo (PbO) u óxido de cadmio (CdO) es de no más de 25% del peso de la composición de vidrio de borosilicato, siendo todos los porcentajes en relación al peso total de la matriz de vidrio, y en donde la cantidad de PbO o CdO es suficiente para que el mencionado material de revestimiento de película gruesa pueda reaccionar con un sustrato de nitruro de silicio para promover su adherencia a él; y polvos cerámicos y/o polvos y/o escamas de metal o un compuesto que contiene metal.
2. El material de revestimiento de película gruesa de la reivindicación 1, que además comprende un óxido metálico que se selecciona entre el grupo consistente en óxido de cobre (CuO o Cu_{2}O), óxido sódico (Na_{2}O), óxido bárico (BaO), óxido potásico (K_{2}O), óxido cálcico (CaO), óxido magnésico (MgO) y óxido de zinc (ZnO).
3. El material de revestimiento de película gruesa de la reivindicación 2, en el que la cantidad de polvos cerámicos y/o polvos y/o escamas de metal o compuesto que contiene metal en la mencionada matriz de vidrio de borosilicato es suficiente para proporcionar una resistencia o conductividad deseada.
4. El material de revestimiento de película gruesa de la reivindicación 2, que además comprende CaCO_{3}.
5. El material de revestimiento de película gruesa de la reivindicación 2, que además tiene un coeficiente de dilatación térmica de aproximadamente 3 a 4 ppm/ºC, tal que el mencionado material de revestimiento de película gruesa no se despegará ni formará ampollas o grietas después de aplicarlo sobre un sustrato de nitruro de silicio y calcinarlo.
6. El material de revestimiento de película gruesa de la reivindicación 2, en el que los mencionados polvos cerámicos y/o polvos y/o escamas de metal o un compuesto que contiene metal se seleccionan entre el grupo consistente en plata, oro, paladio y platino; cobre, níquel, aluminio o cromo; y óxidos de rutenio o iridio o rutenatos.
7. Un sustrato de nitruro de silicio revestido, que tiene sobre él un revestimiento de película gruesa de un material que comprende una matriz de vidrio de borosilicato que contiene un óxido metálico, incluido PbO o CdO, matriz de vidrio de borosilicato que contiene de 10 a 80% de SiO_{2} y de 7 a 24% de B_{2}O_{3}, caracterizado porque la cantidad de óxido de plomo (PbO) o de óxido de cadmio (CdO) es de no más de 25% del peso de la composición de vidrio de borosilicato, siendo todos los porcentajes en relación al peso total de la matriz de vidrio, y en donde la cantidad de PbO o CdO es suficiente para que el mencionado material de revestimiento de película gruesa reaccione con el mencionado sustrato de nitruro de silicio para promover su adherencia a él; y polvos cerámico y/o polvos y/o escamas de metal o compuesto que contiene metal.
8. El sustrato de nitruro de silicio revestido de la reivindicación 7,que además comprende un óxido metálico que se selecciona entre los del grupo consistente en óxido de cobre (CuO o Cu_{2}O), óxido sódico (Na_{2}O), óxido bárico (BaO), óxido potásico (K_{2}O), óxido cálcico (CaO), óxido magnésico (MgO) y óxido de zinc (ZnO).
9. El sustrato de nitruro de silicio revestido de la reivindicación 7,en el que la cantidad de polvos cerámicos y/o polvos y/o escamas de metal o compuesto que contiene metal en la mencionada matriz de vidrio de borosilicato es suficiente para proporcionar una resistencia o conductividad deseada.
10. El sustrato de nitruro de silicio revestido de la reivindicación 7,en el que la mencionada composición de revestimiento de película gruesa comprende, además, CaCO_{3}.
11. El sustrato de nitruro de silicio revestido de la reivindicación 7,en el que la mencionada composición de revestimiento de película gruesa tiene un
coeficiente de dilatación térmica de aproximadamente 3 a 4 ppm/ºC, por lo que el mencionado material de revestimiento de película gruesa no se despegará ni formará ampollas o grietas después de aplicarlo sobre un sustrato de nitruro de silicio y calcinarlo.
12. El sustrato de nitruro de silicio revestido de la reivindicación 6,en el que los mencionados polvos cerámicos y/o polvos y/o escamas de metal o compuesto que contiene metal se seleccionan entre el grupo consistente en plata, oro, paladio y platino; cobre, níquel, aluminio o cromo; y óxidos de rutenio o iridio o rutenatos.
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