WO2003005444A2

WO2003005444A2 - Keramikgefüllte polymersubstrate für die anwendung in der hf-technik

Info

Publication number: WO2003005444A2
Application number: PCT/DE2002/002185
Authority: WO
Inventors: Oliver Dernovsek; Wolfram Wersing; Gabriele Preu
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2003-01-16
Also published as: WO2003005444A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polymer-Keramik-Verbundmaterial umfassend wenigstens ein Polymer und wenigstens ein Keramikmaterial, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Polymer-Keramik-Verbundmaterial im Hochfrequenzbereich bei Frequenzen oberhalb von 0,5 GHz folgende dielektrischen Eigenschaften aufweist: a) eine Permittivität ε im Bereich von 2 bis 100; und b) eine Güte Q von wenigstens 500. Desweiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein- oder mehrschichtige Körper zur Verwendung als Mikrowellen-Dielektrika, welche das vorgenannte Polymer-Keramik-Verbundmaterial enthalten. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Mikrowellendielektrika, welches mit geringem technischen Aufwand durchführbar ist, die endkonturnahe Fertigung von Mikrowellen-Körpern erlaubt und nur geringe Verarbeitungs-temperaturen erforderlich macht. Das erfindungsgemäße Polymer-Keramik-Verbundmaterial zeichnet sich u.a. dadurch aus, daß die dielektrischen Eigenschaften des Verbundmaterials bzw. des Composites durch Wahl des verwendeten Keramikmaterials und/oder des verwendeten Polymermaterials in reproduzierbarer Weise vorherbestimmbar bzw. einstellbar sind.

Description

Beschreibung

Keramikgefüllte Polymersubstrate für die Anwendung in der HF- Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polymer-Keramik- Verbundmaterial, welches wenigstens ein Polymer und wenigstens ein Keramikmaterial umfaßt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein- oder mehrschichtig aufgebaute Körper, welche das erfindungsgemäße Polymer-Keramik-Verbundmaterial enthalten sowie ein Verfahren zur Herstellung des Materials bzw. der Körper.

In der Elektronik wird nach höchstmöglicher Miniaturisierung gestrebt. Dies trifft insbesondere auf die Mobilf nktechnik zu. Ziel ist es, möglichst viele elektronische Bauteile auf möglichst kleinem Raum unterzubringen. Solche Bauteile können beispielsweise sehr komplexe Hochfre uenzmodule bis hin zu kompletten Funkteilen sein.

Im Hinblick auf die Miniaturisierung haben sich Substrate in Form keramischer Körper mit monolithischem Mehrschichtaufbau besonders bewährt. Mit Hilfe spezieller Herstellungsverfahren ist es möglich, ein passives Bauelement, wie beispielsweise eine Induktivität, einen Kondensator oder einen Widerstand in einem solchen keramischen Körper zu integrieren. Auf diesem Prinzip basierend werden heute viele Erzeugnisse, wie beispielsweise keramische Multichip-Module (MCM-C) , einfache Hochfre uenzkomponenten wie LC-Filter und R C-Netzwerke gefertigt.

Besondere Bedeutung haben Mikrowellenbauelemente bzw. Mikrowellendielektrika gewonnen. Der Bedarf an Mikrowellen- Bauelementen in Kommunikationssystemen, wie Autotelefon, Verkehrsleitsystemen, Kfz-RadarSystemen und allgemein auf dem Gebiet der Mobilfunktechnik, ist in den letzten Jahren stark gestiegen und nimmt beständig zu. Kennzeichnend für Mikrowellendielektrika bzw. Mikrowellen-Bauelemente sind ihre dielektrischen Eigenschaften. Entsprechende Materialsysteme besitzen im Mikrowellen- bzw. Hochfrequenzbereich eine hohe Permittivitat ε, eine hohe Güte Q und möglichst geringe bzw. keine Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz TKf. Die Höhe der Permittivitat ε eines Mikrowellendielektrikums beeinflußt vor allem den erreichbaren Miniaturisierungsgrad. Die Güte Q ist ein Maß für die dielektrischen Verluste im Material, was im Zusammenhang

Q = (tan δ)

mit dem Verlustwinkel δ zum Ausdruck kommt. Die Verluste sind um so kleiner, je größer die Güte ist. Es ist daher wünschenswert, Materialien mit möglichst hoher Güte zu erhalten, da diese im Mikrowellenbereich bzw. im Hochfrequenzbereich sehr geringe Verluste zeigen. Die Güte Q ist somit auch ein Maß dafür, wie das Mikrowellen-Material bzw. Mikrowellen-Dielektrikum auf kleine Änderungen der Frequenz reagiert bzw. wie groß die Frequenzselektivität ist. Die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz TKf sollte annähernd 0 sein, da entsprechende Mikrowellen-Bauteile unabhängig von der Temperatur bei der jeweiligen Frequenz stabil arbeiten sollen.

Als Mikrowellendielektrika werden üblicherweise sogenannte Mikrowellen-Keramiken oder Glas-Keramik-Verbundmaterialien bzw. Glas-Keramik-Composite eingesetzt. Die Keramiken können aus fein gemahlenen Pulvern durch Sinterung im Temperaturbereich zwischen 1 200 und 1 400°C hergestellt werden. Diese Temperaturen von bis zu 1 400°C sind notwendig, um das Keramikmaterial entsprechend zu verdichten und so ein Material mit den gewünschten dielektrischen Eigenschaften zu erhalten. Als nachteilig bei der herkömmlichen Fertigung von Keramiken haben sich insbesondere diese hohen

• Sintertemperaturen erwiesen. Neben dem hohen Energieaufwand ist es besonders nachteilig, daß in den herkömmlichen Mikrowellen-Keramiken keine Schichten bzw. Leiterbahnen oder passive elektronische Bauelemente aus Silber auf das Substrat aufgebracht bzw. integriert werden können. Die Verwendung von Silber ist bei dem oben beschriebenen Verfahren nicht möglich, da Silber einen Schmelzpunkt von 960°C besitzt. Zu den vorteilhaften und herausragenden Eigenschaften von Silber gehört es, daß es eine hohe Leitfähigkeit und die niedrigsten elektrischen Verluste im Mikrowellen- bzw. Hochfrequenzbereich besitzt.

Ein spezielles Verfahren zur Herstellung von keramischen Körpern mit monolithischem Mehrschichtaufbau stützt sich auf die sogenannte LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)- Technologie (siehe z.B. D.L. Wilcox et al . , Proc . 1997 ISHM Philadelphia, S. 17-23). Die LTCC-Technologie zeichnet sich u.a. aus, daß zur Herstellung der keramischen Körper Sintertemperaturen von ≤ 900 °C ausreichend sind und somit auch elektrische Leiterstrukturen aus Silber in die Körper integriert werden können. Allerdings ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, Bauelemente aus Metallen mit noch niedrigerem Schmelzpunkt, insbesondere aus Kupfer oder Nickel, zu integrieren.

Die wesentlichen Verfahrensschritte dieser Technologie sind:

- Herstellung einer keramischen Grünfolie, ausgehend von einer Suspension aus Keramik und organischem Binder sowie weiteren Zusatzstoffen wie Entschäumungsmittel, Benetzungsmittel, Lösemittel etc. - Erzeugen einer Öffnung in der Grünfolie, die für eine elektrische Durchkontaktierung durch die Grünfolie vorgesehen ist.

- Befüllen der Öffnung mit elektrisch leitendem Material.

- Bedrucken der Grünfolie mit einer elektrischen Leiterstruktur.

- Übereinanderstapeln und Laminieren wenigstens zweier Grünfolien zu einem mehrschichtigen Verbund. - Entbindern und Sintern des Verbundes zu einem Körper mit monolithischem Mehrschichtaufbau.

Als keramisches Material dient in der LTCC-Technologie niedrigsinternde Glaskeramik. Das Sinterverhalten und die dielektrischen Eigenschaften der resultierenden Keramiken können durch die Art und Menge des Glasmaterials und/oder des Keramikpulvers beeinflußt werden. Beispielsweise werden Keramiken bzw. Composite, welche auf lanthanhaltigen Boratgläsern basieren, für Anwendungen im mittleren Permittivitätsbereich von ε = 20 bis 30 gefertigt.

Allerdings ist auch die LTCC-Technologie mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Bei dem eigentlichen Sinterprozeß wird bis zum Erweichungspunkt des jeweils verwendeten

Glasmaterials erwärmt, so daß es zu einer Verdichtung des Glas-Keramik-Composites kommt. Dieser Sintervorgang bzw. das Verdichten des keramischen Materials erfolgt beim Überschreiten des Erweichungspunktes allerdings so schnell, daß dieser Prozeß nur schwer zu kontrollieren ist. In der herkömmlichen LTCC-Technologie tritt durch das Verdichten des keramischen Materials beim Sintervorgang ein lateraler Schwund von 15 bis 18 % mit einer Toleranz von ± 0,5 % auf. Die schnelle Verdichtung und der starke laterale Schwund des Verbundmaterials bzw. der Keramik sind als sehr nachteilig anzusehen, da für die Bearbeitung bzw. Weiterverarbeitung der erhaltenen Bauteile eine Toleranz von ± 0,1 % einzuhalten ist.

Die Oberfläche eines keramischen Körpers ist üblicherweise so gestaltet, daß aktive Bauelemente, wie beispielsweise SMD- Bauelemente oder ICs (Halbleiterbauelemente) möglichst platzsparend angebracht werden können. Für das Anbringen der aktiven Bauelemente wird häufig die sogenannte Flip-Chip- Technik eingesetzt. Voraussetzung für die Anwendung dieser Technik ist allerhöchste Präzision und Reproduzierbarkeit bezüglich der Abmessungen des Körpers bzw. der Leiter- und Padstrukturen auf der Oberfläche des Körpers. Verfahren, bei denen durch das Verdichten des keramischen Materials beim Sintervorgang ein lateraler Schwund von 15 % oder mehr auftritt, sind im Hinblick auf die Weiterverarbeitung in der Flip-Chip-Technik nicht oder nur bedingt geeignet.

Im Stand der Technik sind eine Reihe von Lösungsansätzen beschrieben, die den lateralen Schwund des keramischen Materials beim Sintervorgang in der LTCC-Technologie beschreiben. Ziel ist es, ein gerichtetes Verdichten der

Keramik senkrecht zu den Folienebenen zu erzwingen bzw. zu bewirken (= zero xy shrinkage) . Die Möglichkeiten zur Vermeidung der vorgenannten Probleme beim Sintern eines laminierten und entbinderten Stapels aus keramischen Grünfolien erfordern häufig einen hohen technischen Aufwand und sind somit äußerst kostenintensiv.

Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, die Grünfolien so zu stapeln, daß die oberste und die unterste Folie ein Keramikmaterial aufweisen, dessen Sintertemperatur über der des Keramikmaterials der im Stapel dazwischenliegenden Folien liegt. Die Sinterung erfolgt so, daß das bei tieferer Temperatur sinternde Keramikmaterial der inneren Folien verdichtet, nicht jedoch das bei höherer Temperatur sinternde Material der äußeren Folien. Das nicht verdichtende Material verhindert durch die Haftung der laminierten Folien aneinander den lateralen Schwund des Folienstapels. Das nicht verdichtete Keramikmaterial des Körpers muß nach dem Sintern allerdings entfernt werden. Daher sind zusätzliche Arbeitsschritte notwendig und es müssen nachträglich Metallisierungen an der Oberfläche des Körpers für die Weiterverarbeitung (beispielsweise durch Flip-Chip-Technik) aufgebracht werden.

Ein weiterer Nachteil der LTCC-Technologie wie auch der herkömmlichen Sintertechnologie liegt darin, daß sich die dielektrischen Eigenschaften, insbesondere die Permittivitat ε bei der Herstellung der Keramik verändert, d.h., daß die eingesetzten Keramikpartikel eine andere Permittivitat aufweisen als das nach dem Sintern erhaltene Composit. Diese Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften bzw. der Permittivitat ε sind häufig nicht vorherbestimmbar, so daß es besonders schwierig ist, Mikrowellen-Keramiken mit definierten dielektrischen Eigenschaften bzw. mit bestimmter Permittivitat herzustellen.

Es wäre aus den vorgenannten Gründen sehr wünschenswert, ein Mikrowellendielektrikum zur Verfügung zu haben, welches gute dielektrische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Permittivitat ε und eine hohe Güte Q, aufweist. Es wäre weiterhin wünschenswert, ein Mikrowellen-Bauelement zur Verfügung zu haben, in welchem Leiterstrukturen bzw. Bauelemente aus Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt, insbesondere Silber, Kupfer oder Nickel, integriert werden können. Darüber hinaus wäre es von Vorteil, wenn das entsprechende Mikrowellendielektrikum gute dielektrische Eigenschaften in vorherbestimmbaren, definierten Bereichen aufweist.

Aufgrund der oben gezeigten Nachteile wäre es außerdem besonders wünschenswert, ein Verfahren zur Herstellung von Mikrowellendielektrika zur Verfügung zu haben, welches mit niedrigen Sintertemperaturen auskommt, um so die Integration von Metallen mit niederem Schmelzpunkt zu ermöglichen. Weiterhin sollte das Verfahren die endkonturnahe Fertigung von entsprechenden Körpern ermöglichen, d.h. der laterale Schwund des entsprechenden Mikrowellenmaterials sollte beim

Sinterprozeß minimal sein oder völlig unterdrückt werden. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, ein Verfahren zur Herstellung von Mikrowellenmaterialien zur Verfügung zu haben, welches mit möglichst geringem technischen Aufwand auskommt und wenige Prozeßschritte erfordert. Von Vorteil wäre es außerdem, wenn die dielektrischen Eigenschaften, insbesondere die Permittivitat ε über die Ausgangsmaterialien zur Herstellung des entsprechenden Dielektrikums einstellbar wäre und keine Veränderungen während des Herstellungsverfahrens berücksichtigt werden müssen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Mikrowellendielektrikum bzw. ein -material mit hoher Permittivitat ε und höher Güte Q im Hochfrequenzbereich zur Verfügung zu stellen, welches bei niedrigen Sintertemperaturen herstellbar ist und so den Einsatz von Kupfer-, Nickel- und Silber-Leiterstrukturen bzw. -Elektroden in den Mikrowellen-Bauelementen ermöglicht. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrowellenmaterial bzw. Mikrowellen-Composit zur Verfügung zu stellen, dessen dielektrische Eigenschaften und insbesondere dessen Permittivitat über die Verwendung bestimmter Ausgangsmaterialien vorherbestimmbar ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der

Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Mikrowellendielektrika, welches mit geringem technischen

Aufwand durchführbar ist, die endkonturnahe Fertigung von

Mikrowellen-Körpern erlaubt und nur geringe

Verarbeitungstemperaturen erforderlich macht.

Weitere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben wird ein Polymer- Keramik-Verbundmaterial zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein Polymer und wenigstens ein Keramikmaterial umfaßt und welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das

Polymer-Keramik-Verbundmaterial im Hochfrequenzbereich bei Frequenzen oberhalb von 0,5 GHz folgende dielektrische Eigenschaften aufweist: a) eine Permittivitat ε im Bereich von 2 bis 100; und b) eine Güte Q von wenigstens 500. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Polymer-Keramik-Verbundmaterial dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial eine Permittivitat ε im Bereich von 5 bis 70, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 60 und besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50 aufweist. Besonders bevorzugt hat das Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung eine Güte Q von wenigstens 500, vorzugsweise von wenigstens 800, besonders bevorzugt von wenigstens 1000, bei einer Frequenz von wenigstens 0,5 GHz.

Im Stand der Technik sind verschiedene Keramik-Runststoff- Composite vorbeschrieben. Diese werden häufig durch Überziehen von Keramikpartikeln, keramischen Fasern oder keramischen Folien mit Kunststoff (Coating) und anschließende Coextrusion hergestellt. Hierbei werden üblicherweise

Mischkörper mit durch das Kunststoffmaterial vorgegebener Belastbarkeit erhalten. Polymer-Keramik-Verbundmaterialien bzw. -Composite, welche für die Anwendung in der Mikrowellen- Technologie geeignet sind, sind bisher jedoch nicht bekannt.

Das erfindungsgemäße Polymer-Keramik-Verbundmaterial zeichnet sich u.a. dadurch aus, daß die dielektrischen Eigenschaften des Verbundmaterials bzw. des Composites durch Wahl des verwendeten Keramikmaterials und/oder des verwendeten Polymermaterials in reproduzierbarer Weise vorherbestimmbar bzw. einstellbar sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das in dem Polymer-Keramik- Verbundmaterial enthaltene Keramikmaterial ausgewählt aus der Gruppe umfassend Zirkonoxide, Aluminiumoxide und Spinelle, Titandioxid und/oder Bariumoxid. Es ist in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, daß das Keramikmaterial mit Metalloxiden, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Erdalkalioxide, insbesondere Calcium- und Magnesiumoxide, Seltenerd- Metalloxide, Zinkoxide, dotiert ist. Zu den Seltenerd- Metalloxiden zählen neben allen Lanthanoid-Oxiden auch Scandium- und Yttrium-Oxide. Es wurde gefunden, daß der Anteil des Keramikmaterials am Polymer-Keramik-Verbundmaterial wesentlichen Einfluß auf die Eigenschaften, insbesondere auf die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Composites hat. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Polymer-Keramik-Verbundmaterial mehr als 0 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 30 Vol.-% und mehr bevorzugt wenigstens 50 Vol.-% Keramikmaterial, bezogen auf das Polymer-Keramik-Verbundmaterial, auf. Besonders vorteilhaft ist ein Keramikmaterialgehalt von wenigstens 60 Vol.-% und insbesondere bevorzugt von wenigstens 70 Vol.-%, bezogen auf das Polymer-Keramik-Verbundmaterial .

Das in dem Polymer-Keramik-Verbundmaterial enthaltene

Keramikmaterial weist in einer bevorzugten Ausführungsform Keramikpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich zwischen 1 μm und 100 μ , vorzugsweise im Bereich zwischen 3 μm und 80 μm auf. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß Keramikmaterialien bzw. Keramikpulver verwendet werden, die eines oder auch mehrere verschiedene Metalloxide enthalten.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Keramikmaterial eine Mischung aus Keramikpartikeln mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern. Es wurde gefunden, daß Keramikpulver mit einer bimodalen oder trimodalen Partikelgrößenverteilung eine besonders homogene Verteilung der Partikel in der Polymermatrix gewährleisten. Die Keramikpartikel unterschiedlicher Größe können aus einem oder auch verschiedenen Metalloxiden bestehen. Die Verwendung von Keramikpartikeln unterschiedlicher Partikeldurchmesser ist insbesondere bei hohen Keramikanteilen im Polymer-Keramik- Verbundmaterial von Vorteil.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Polymer-Keramik-Verbundmaterial wenigstens ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe umfassend metallorganische Polymere, insbesondere Polyorganosiloxane, Polyethylene, Polypropylene, Polyamide, ungesättigte Polyester, Polytetrafluorethylen und/oder Derivate der vorgenannten Substanzen. Prinzipiell sind für die erfindungsgemäßen Polymer-Keramik-Verbundmaterialien Thermoplaste, wie beispielsweise Polyolefine, Vinylpolymere, Polyamide, Polyester, Polyacetale, Polycarbonate, wie auch bestimmte Polyurethane und Iono ere sowie thermoplastische Elastomere geeignet. Besonders vorteilhaft sind porenfrei vernetzende Polymere, welche hydrolysebeständig sind und gute Verarbeitungseigenschaften aufweisen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Polymer-Keramik-Verbundmaterial wenigstens ein dotiertes Polymer. Als Dotierungsmaterialien sind gemäß der vorliegenden Erfindung Metalloxide, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Erdalkalioxide, insbesondere Calcium- und Magnesiumoxide, Seltenerd-Metalloxide und Zinkoxide vorgesehen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Körper, welcher das erfindungsgemäße Polymer-Keramik- Verbundmaterial umfaßt . Der Körper kann gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl ein homogener Körper sein oder aber ein aus einer oder mehreren Polymer-Keramik- Verbundmaterialschichten oder -teilen aufgebauter bzw. zusammengesetzter Körper. Grundsätzlich kann der Körper jede beliebige Form aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Körper eine Platten- bzw.

Folienform auf.

Besonders bevorzugt umfaßt der Körper mehrere Schichten, wobei wenigstens eine Schicht aus dem erfindungsgemäßen Polymer-Keramik-Verbundmaterial besteht. Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen umfaßt der Körper mehrere Schichten, von denen wenigstens zwei, vorzugsweise drei und besonders bevorzugt alle Schichten aus dem erfindungsgemäßen Polymer-Keramik-Composit bestehen.

Die Schichtdicken sind im wesentlichen frei wählbar und über den jeweiligen Arbeitsprozeß steuerbar. Es können sowohl

Schichtdicken von 100 bis 250 μm problemlos erreicht werden, aber es sind auch dickere Folien mit Schichtdicken von mehr als 300 μm herstellbar. Die Bauteilhöhe bzw. die Höhe der mehrschichtigen Körper ergibt sich aus der Anzahl der laminierbaren Folien bzw. aus der Anzahl der übereinander angeordneten Schichten. Die Körper können daher je nach Anwendung eine Höhe von einigen Millimetern aufweisen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Körper mehrere Schichten aus erfindungsgemäßem Polymer- Keramik-Verbundmaterial, wobei die Schichten unterschiedliche dielektrische Eigenschaften aufweisen. Besonders bevorzugt weisen die Schichten unterschiedliche Permittivitäten ε auf, wobei die Schichten mit geringerer Permittivitat ε vorzugsweise weiter außen angeordnet sind und die Schichten mit höherer Permittivitat ε vorzugsweise im Inneren des mehrschichtigen Körpers liegen. Die Permittivitat ε ist, wie bereits erwähnt, über die Wahl des Keramikmaterials und/oder die Wahl des Polymermaterials einstellbar. Das in der jeweiligen Schicht enthaltene Polymer-Keramik-Verbundmaterial bzw. die entsprechende Permittivitat ε richtet sich nach der Funktion, die mit dieser Schicht in dem Körper integriert wird. Sogenannte "base-composits " , welche vorzugsweise die Außenschicht eines mehrschichtigen Körpers bilden, sollten vorzugsweise aus einem Polymer-Keramik-Verbundmaterial mit niedriger Dielektrizitätskonstante bzw. mit einer Permittivitat ε von < 10 bestehen.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß in das erfindungsgemäße Polymer-Keramik- Verbundmaterial bzw. in die entsprechenden mehrschichtigen Körper hochleitfähige Materialien integriert werden können. Durch die Verwendung des niedrigsinternden Polymer-Keramik- Composites ist die Verarbeitung von Leiterbahnmaterialien möglich, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren aufgrund des niederen Schmelzpunktes dieser Materialien ausgeschlossen waren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das erfindungsgemäß Polymer-Keramik-Verbundmaterial bzw. der Körper mindestens eine Schicht aus einem Elektrodenmaterial und/oder mindestens ein passives elektronisches Bauelement, wobei die Schicht und/oder das Bauelement vorzugsweise wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silber, Gold, Kupfer, Molybdän, Palladium, Platin, Wolfram, Silicium und/oder Nickel, aufweist. Insbesondere bevorzugt ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung von Silber, Kupfer und Nickel.

Unter einem passiven elektronischen Bauelement ist im einfachsten Fall eine elektrische Leiterbahn zu verstehen. Es kann eine Induktivität, eine Kapazität oder ein Widerstand (z.B. auch Varistor) sein. Die Bauelemente können einzeln oder in Kombination miteinander auftreten und insbesondere Bestandteile einer elektrischen Schaltung sein. Ein Bauelement besteht beispielsweise aus einem Metall, einem Halbmetall und/oder einem Festelektrolyten.

Bei dem erfindungsgemäßen Polymer-Keramik-Verbundmaterial ist die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz TKf des Polymer-Keramik-Verbundmaterials im Bereich von —30^aC bis 80^SC von zwischen -3 bis +3 ppm/K, vorzugsweise 0 ppm/K.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der ein- oder mehrschichtige Körper eine planare und/oder glatte Oberfläche auf. Unter einer glatten Oberfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Oberfläche mit geringer Rauhigkeit und geringer Oberflächenporosität zu verstehen. Besonders bevorzugt weist die Oberfläche weniger als 1 %, bezogen auf die Fläche des Körpers, offene Poren auf. Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen Polymer-Keramik- Verbundmaterialien bzw. die daraus herstellbaren ein- oder mehrschichtigen Körper gegenüber den herkömmlichen Glas- Keramik-Compositen bzw. Mikrowellen-Keramiken auch im Hinblick auf die Stabilität von Vorteil sind. Die je nach

Wahl des Materials, insbesondere des Polymermaterials, und in Abhängigkeit vom Gehalt an Keramikfüller bzw. Keramikmaterial mehr oder weniger flexiblen und dehnbaren erfindungsgemäßen Composite sind beispielsweise im Hinblick auf Erschütterungen wesentlich schadenstoleranter als entsprechende unflexible und spröde Keramikmaterialien mit den gleichen dielektrischen Eigenschaften.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Körpers, welches folgende Schritte umfaßt:

a) Herstellen einer Mischung umfassend wenigstens ein Keramikmaterial und wenigstens ein Polymer; b) Formen der Mischung zu einem Polymer-Keramik-

Verbundmaterial-haltigen Körper; und c) gegebenenfalls Verbinden von zwei oder mehreren der erhaltenen Körper.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet durch die Anwendung etablierter Verfahrenstechnologien der Kunststofftechnologie, wie beispielsweise Folienpressen, Gießen oder auch Folienziehen insbesondere auch prozeßtechnische Vorteile. Des weiteren ist der Einsatz einfacher Laminationstechnologien möglich.

In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform wird die Polymer-Keramik-Mischung hergestellt, indem man das Keramikmaterial mit wenigstens einem Polymer, welches zumindest teilweise geschmolzen und/oder in einem Lösemittel gelöst ist, vermischt und gegebenenfalls anschließend das Lösemittel entfernt. Bei diesem Verfahrensschritt müssen demzufolge keine weiteren Hilfsstoffe zugesetzt werden. Die Herstellung der Mischung kann, wie bereits ausgeführt, durch einfaches Schmelzen des Polymers und anschließendes Untermischen eines beispielsweise bi- oder trimodalen Keramikpulvers erfolgen oder aber durch Lösen des Polymers und Zugabe des Keramikpulvers zu dieser Lösung. Durch einfaches Entfernen des Lösemittels ist dann die entsprechende Polymer-Keramik-Mischung erhältlich. Die Reihenfolge der Zugabe der Komponenten spielt hierbei keine Rolle. Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich selbstverständlich nicht nur auf die Verwendung von bereits verarbeitungsfertigen Polymeren. Es ist ebenso möglich, die Vernetzung von Polymeren oder Oligomeren oder aber auch die Polymerisation von Monomeren in Gegenwart der Keramikmaterialien bzw. des Keramikpulvers durchzuführen.

In einem zweiten Verfahrensschritt wird die erhaltene Polymer-Keramik-Mischung zu einem Polymer-Keramik- Verbundmaterial-haltigen Körper geformt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt dieser

Formgebungsschritt, indem man die im ersten Verfahrensschritt a) erhaltene Mischung durch Gießen, Kalandrieren, Extrudieren und/oder Folienziehen in die entsprechende Form bringt und wenigstens teilweise durch entsprechende Temperatur- und/oder Druck-Profile. Das verdichtende Material ist das Polymer bzw. die Polymere, welche bei steigenden Temperaturen zu einer visko-elastischen Schmelze erweicht werden und beispielweise durch Druckaufgabe von außen zu dem erfindungsgemäßen Polymer-Keramik-Verbundmaterial verdichtet bzw. geformt werden. Die Verarbeitungstemperatur bei dem

Formgebungsschritt richtet sich nach dem verwendeten Polymermaterial und liegt üblicherweise im Bereich zwischen 80 und 200°C.

Die Viskosität der im Schritt a) hergestellten Polymer- Keramik-Mischung ist nach den dem Fachmann bekannten Methoden, beispielsweise durch Verwendung hochviskoser oder niedrigviskoser Polymere bzw. durch einen hohen oder niedrigen Keramikmaterial-Gehalt, über einen weiten Bereich einstellbar. Bei dem nachfolgenden Formgebungsschritt kann in Abhängigkeit von der Viskosität extrudiert, in Formen gegossen oder auch jedes andere zur Kunststoffverarbeitung geeignete Verfahren angewendet werden. Wie bereits ausgeführt, lassen sich sowohl sehr dünne Folien mit Schichtdicken im Bereich von 100 μm, beispielsweise durch Folienziehen, herstellen, als auch dickere Formkörper bzw. Folien z.B. unter Einsatz von Extrusionsverfahren generieren.

Die vorgenannten Verfahrensschritte sind prinzipiell mit der Herstellung von Grünfolien zur Fertigung von Keramikkörpern aus monolithischen Schichten gemäß LTCC-Technologie vergleichbar. Im Unterschied zu den herkömmlichen Verfahren erfolgt die Herstellung des Polymer-Keramik-Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ohne Verwendung von Bindern, Entschäu ungsmitteln, Benetzungsmitteln und anderen Hilfs- und Zusatzstoffen. Vorgenannte Substanzen, insbesondere der Binder, ist in den herkömmlichen Verfahren unverzichtbar. Die Verwendung von Bindern ist besonders nachteilig, da die Entfernung des Binders, die sogenannte Entbinderung, einen zusätzlichen Verfahrensschritt erforderlich macht und zu erhöhten Porositäten im Verbund führt.

Nach Erhalt des Polymer-Keramik-Körpers kann dieser beispielsweise durch Schneiden oder Stanzen auf die gewünschte Form zugeschnitten werden, sofern dies erforderlich ist. Der Körper bzw. die Folie, welche aus dem erfindungsgemäßen Polymer-Keramik-Verbundmaterial besteht, kann dann üblichen Strukturierungsverfahren, beispielsweise zur Integration von Leiterbahnen, elektrischen Spulen, Induktoren etc. unterworfen werden. Beispielsweise wird eine entsprechende Folie mit einer hindurchgehenden Öffnung für eine elektrische Durchkontaktierung versehen. Dies gelingt beispielsweise besonders einfach durch Stanzen. Aber auch andere Verfahren, wie sie zur Strukturierung von Grünfolien verwendet werden, wie beispielsweise Photolithographie oder das Erzeugen einer Öffnung mit Hilfe von Laserstrahlung kann ebenso angewendet werden.

Anschließend können nach üblichen Verfahren Metallisierungen auf der Oberfläche des Körpers bzw. der Folien angebracht werden. Dazu wird vorzugsweise im Siebdruckverfahren elektrisch leitendes Material, beispielsweise in Form einer Leiterstruktur auf einer Oberfläche des Körpers aufgetragen. Auf diese Weise läßt sich eine sehr feine Leiterstruktur herstellen. Dabei werden auch die Öffnungen für die Durchkontaktierung mit elektrisch leitendem Material befüllt. Dabei bietet sich besonders die Verwendung von sogenannten Schablonendruckverfahren an. Siebdruck und Schablonendruck werden vorzugsweise in der gleichen Vorrichtung durchgeführt.

Das erfindungsgemäße Mikrowellen-Verbundmaterial erlaubt die Verarbeitung von hochleitfähigem Silber oder auch Kupfer bei den vorgenannten Schritten. Hierzu kann beispielsweise in der sogenannten Dickschichttechnik (z.B. Siebdrucktechnik) eine hinreichend dicke, hochleitende Leiterbahn realisiert werden, die auch im Hochfrequenzbereich nur sehr niedrige Leitungsverluste aufweist.

Bei der Herstellung von Körpern die aus zwei oder mehreren Schichten aus erfindungsgemäßem Polymer-Keramik- Verbundmaterial bestehen, werden im nächsten Verfahrensschritt entsprechende Verbundmaterial-Folien übereinander gestapelt. Hierbei werden die Folien bzw.

Schichten mit niedrigerer Permittivitat vorzugsweise außen angeordnet. Wie bereits ausgeführt, kann die Permittivitat der jeweiligen Schicht gezielt durch Wahl der Keramikmaterialien bzw. Keramikpulver eingestellt werden, da sich die Permittivitäten im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren bei der Herstellung des Polymer-Keramik- Verbundmaterials kaum oder gar nicht verändern. Zur Herstellung eines mehrschichtigen Körpers aus den erfindungsgemäßen Polymer-Keramik-Verbundmaterial-haltigen Folien werden diese durch Aufwenden von Druck und/oder Aufwenden von Druck unter Erwärmung zu entsprechenden mehrschichtigen Körpern verbunden. Die Aufwendung von Druck ' erfolgt vorzugsweise uniaxial senkrecht zur Anordnung der Verbundmaterial-Schichten. Auch bei diesem Verfahrensschritt sind niedrige Temperaturen von weniger als 300°C ausreichend, um den entsprechenden Mehrschicht-Verbund zu erhalten. Durch Verwendung von viskoelastischen Polymeren ist die Integration von passiven und aktiven Bauelementen während des Warmpreßvorgangs der beschriebenen laminaren Strukturen möglich. Das Verpressen der übereinandergestapelten Folien ermöglicht außerdem eine sehr präzise und endkonturnahe

Fertigung der dichten Mikrowellen-Polymer-Keramik-Verbunde . Bei den herkömmlichen Verfahren ist es besonders wichtig, die zu sinternden Keramikmaterialien bzw. Keramikschichten unter Beachtung ihrer thermischen Ausdehnungskoeffizienten anzuordnen und zu verarbeiten, um temperaturbedingte Spannung beim Sinterprozeß zu vermeiden. Des weiteren sind aufwendige Vorkehrungen zur Vermeidung der Schwindung des Keramikmaterials notwendig. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Anordnung der Schichten im Hinblick auf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahezu beliebig erfolgen und die mit der Schwindung von Keramikmaterialien verbundenen Probleme treten ebenfalls nicht auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß kostengünstige PolymerausgangsVerbindungen verwendet werden können und die erhaltenen Verbundkörper auch wesentlich besser recyclebar sind als hochgesinterte Keramik- Composite oder Glas-Keramik-Composite.

Das nachfolgende Beispiel dient der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung und ist nicht als Einschränkung zu verstehen. BEISPIEL

Herstellung eines Mikrowellen-Polymer-Keramik-Verbundmaterials

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrowellendielektrikums werden 20 Vol.-% eines siliciumorganisehen Polymers mit 80 Vol.-% eines 1:1:4- Pulvergemisches von BaO :Nd₂0₃ :Ti0₂ und BaSm₂Ti₄0ι₂ im Verhältnis 3:1 in Isopropanol gelöst bzw. suspendiert und vermischt. Anschließend wird bei 30°C das Lösungsmittel im Rotationsverdampfer entfernt und eine entsprechende Polymer- Keramik-Mischung erhalten.

Die erhaltene Mischung wird bei einer Temperatur von 180°C zu einem entsprechenden Polymer-Keramik-Körper bei 100 Mpa uniaxial 20 min. verpresst.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Polymer- Keramik-Verbundmaterial wurde anschließend hinsichtlich seiner dielektrischen Eigenschaften untersucht. Die Permittivitat des Mikrowellendielektrikums betrug bei einer Frequenz von 3 GHz ε = 46. Die Güte Q des Materials betrug 800. Der TKf-Wert des Materials wurde mit 0 ppm/K bestimmt.

Es konnte gezeigt werden, daß das erfindungsgemäße Polymer- Keramik-Verbundmaterial auf einfache Art und Weise hergestellt werden kann und hervorragend als Mikrowellendielektrikum geeignet ist.

Claims

Patentansprüche

1. Polymer-Keramik-Verbundmaterial umfassend wenigstens ein Polymer und wenigstens ein Keramikmaterial d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Polymer- Keramik-Verbundmaterial im Hochfrequenzbereich bei Frequenzen oberhalb von 0,5 GHz folgende dielektrischen Eigenschaften aufweist: a) eine Permittivitat ε im Bereich von 2 bis 100; und b) eine Güte Q von wenigstens 500.

2. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer-Keramik- Verbundmaterial eine Permittivitat ε im Bereich von 5 bis 70, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 60 und besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 50 aufweist.

3. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer-Keramik- Verbundmaterial eine Güte Q von wenigstens 500, vorzugsweise von wenigstens 800 und besonders bevorzugt von wenigstens 1000 aufweist.

4. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz TKf des Polymer-Keramik-Verbundmaterials im Bereich von —30^SC bis 80²C von-3 bis +3 ppm/K, vorzugsweise 0 ppm/K, ist.

5. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Zirkonoxide, Aluminiumoxide und Spinelle.

6. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial mit Metalloxiden, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Erdalkalioxide, insbesondere Calcium- und Magnesiumoxide, Seltenerd-Metalloxide, Zinkoxide, Bariumoxid und/oder Titandioxid, dotiert ist.

7. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer-Keramik- Verbundmaterial mehr als 0 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 30 Vol.-%, mehr bevorzugt wenigstens 50 Vol.-%, besonders bevorzugt wenigstens 60 Vol.-% und insbesondere bevorzugt wenigstens 70 Vol.-%, bezogen auf das Polymer-Keramik- Verbundmaterial, Keramikmaterial aufweist.

8. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial Keramikpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich zwischen 1 μm und 100 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 3 μrα und 80 μm aufweist.

9. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial eine Mischung aus Keramikpartikeln mit unterschiedlichen Partikeldurchmessern umfaßt.

10. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer-Keramik- Verbundmaterial wenigstens ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe umfassend metallorganische Polymere, insbesondere Polyorganosiloxane, Polyethylene, Polypropylene, Polyamide, ungesättigte Polyester, Polytetrafluorethylen und/oder Derivate der vorgenannten Substanzen enthält.

11. Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer-Keramik- Verbundmaterial wenigstens ein dotiertes Polymer aufweist.

12. Körper umfassend Polymer-Keramik-Verbundmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche .

13. Körper gemäß Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine oder mehrere

Schichten umfaßt, wobei wenigstens eine Schicht, vorzugsweise zwei , besonders bevorzugt drei und insbesondere bevorzugt alle Schichten aus Polymer-Keramik-Verbundmaterial bestehen.

14. Körper gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus Polymer- Keramik-Verbundmaterial unterschiedliche dielektrische Eigenschaften, vorzugsweise unterschiedliche Permittivitäten ε aufweisen, wobei die Schichten mit geringerer Permittivitat ε in dem Körper vorzugsweise weiter außen angeordnet sind.

15. Körper gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mindesten eine Schicht aus einem Elektrodenmaterial und/oder ein passives elektronisches Bauelement aufweist, wobei die Schicht und/oder das Bauelement vorzugsweise wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silber, Gold, Kupfer, Molybdän, Palladium, Platin, Wolfram, Silicium und/oder Nickel enthält.

16. Verfahren zur Herstellung des Körpers gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: a) Herstellen einer Polymer-Keramik-Mischung umfassend wenigstens ein Keramikmaterial und wenigstens ein Polymer; b) Formen der Mischung zu einem Polymer-Keramik- Verbundmaterial-haltigen Körper; und c) gegebenenfalls Verbinden von zwei oder mehreren der erhaltenen Körper.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Polymer-Keramik-Mischung hergestellt wird, indem man das Keramikmaterial mit wenigstens einem wenigstens teilweise geschmolzenen und/oder gelösten Polymer vermischt und gegebenenfalls das Lösemittel entfernt .

18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17 dadurch gekennzeichnet, daß der Polymer-Keramik- Verbundmaterial-haltige Körper geformt wird, indem man die im

Schritt a) erhaltene Mischung vorzugsweise durch Gießen, Kalandrieren, Extrudieren, Spritzgießen und/oder Folienziehen verdichtet.

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß die im Schritt a) erhaltene Mischung zu einer Polymer-Keramik-Verbundmaterial-haltigen Folie geformt wird.

20. Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Polymer- Keramik-Verbundmaterial-haltige Folien, vorzugsweise durch Laminieren, Aufwenden von Druck und/oder Aufwenden von Druck unter Erwärmung, zu einem mehrschichtigen Körper verbunden werden .

21. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Polymer- Keramik-Mischung und/oder beim Formen der Mischung zu einem Polymer-Keramik-Verbundmaterial-haltigen Körper und/oder dem Verbinden von zwei, oder mehreren der erhaltenen Körper und besonders bevorzugt bei allen vorgenannten Verfahrenschritten die Verarbeitungstemperaturen höchstens 350°C, vorzugsweise höchstens 300°C, besonders bevorzugt höchstens 250°C und insbesondere bevorzugt höchstens 200°C beträgt.