VERBUNDSTOFFE AUF GLASBASIS UND GLASKERAMIKBASIS
German Patent DE4234349
Inventors:
MOH KYUNG H (US)
Application Number:
DE4234349A
Publication Date:
04/22/1993
Filing Date:
10/12/1992
Export Citation:
MINNESOTA MINING & MFG. CO., SAINT PAUL, MINN., US
International Classes:
1. Verbundkeramikgegenstand, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Mullitblasen, welche in einer Matrix dis-pergiert sind, welche aus der Gruppe gew?hlt ist, die aus einer Glasmatrix auf Borsilikatbasis und einer Glaskeramikmatrix auf Aluminiumsilikatbasis besteht.
2. Verbundkeramikgegenstand nach Anspruch 1, dadurch ge-kennzeichnet, dass das Glas auf Borsilikatbasis einen Erweichungspunkt im Bereich von etwa 625 bis etwa 650°C und einen W?rmeausdehnungskoeffizienten im Temperatur-bereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1?10?6 bis etwa 9?10?6/°C hat, und dass die Glaske-ramik auf Aluminiumsilikatbasis einen Erweichungspunkt in einem Bereich von etwa 630 bis etwa 700°C und einen W?rmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1?10?6 bis etwa 9?10?6/°C hat.
3. Verbundkeramikgegenstand nach Anspruch 1 oder 2, da-durch gekennzeichnet, dass das Glas auf Borsilikatbasis zu einem System geh?rt, welches aus der Gruppe gew?hlt ist, welche aus Bleiborsilikat, Lithiumborsilikat, Kaliumborsilikat, Kalziumborsilikat, Natriumborsilikat, Magnesiumborsilikat, Bariumborsilikat, Aluminiumborsi-likat und Kombinationen hiervon besteht.
4. Verbundkeramikgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis zu einem System geh?rt, wel-ches aus der Gruppe gew?hlt ist, welche aus Magnesiuma-luminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat, Zinkalumini-umsilikat, Kalziumaluminiumsilikat und Kombinationen hiervon besteht.
5. Verbundkeramikgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dielek-trizit?tskonstante bei 1 MHz im Bereich von etwa 2 bis 6, einen Verlustfaktor von weniger als etwa 0,004 und einen W?rmeausdehnungskoeffizienten im Temperaturbe-reich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1?10?6 bis etwa 9?10?6/°C hat.
6. Verbundkeramikgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner ein elektrisch leitendes Material aufweist, welches in Form eines ?berzuges auf einer Oberfl?che desselben vorgese-hen ist.
7. Verbundkeramikgegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mullitblasen einen Durchmesser von bis zu etwa 50 um haben, und dass sie in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 70 Volumen-prozent basierend auf dem Gesamtvolumen des Verbundke-ramikgegenstandes vorhanden sind.
8. Ungebrannter Verbundgegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einer Matrix dispergiert sind, die aus der Gruppe gew?hlt ist, welche aus einer Glaspulvermatrix auf Borsilikatbasis, einer Glaspulvermatrix auf Aluminium-silikatbasis, einer Glaskeramikpulvermatrix auf Alumi-niumsilikatbasis und einer Matrix aus einem Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis und einem Glaskeramikpulver auf Aluminiumsilikatbasis besteht.
9. Ungebrannter Verbundgegenstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine elektrisch leitende Paste aufweist, welche in Form eines ?berzuges auf einer Oberfl?che desselben vorgesehen ist.
10. Verfahren zum Herstellen eines Verbundgegenstandes, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:a) Formgebung einer Aufschl?mmung, welche ein flüssi-ges Medium, ein Plastifizierungsmittel, ein Bin-demittel, eine Mehrzahl von Mullitblasen und eine Matrix aufweist, welche aus der Gruppe gew?hlt ist, die aus Glaspulver auf Borsilikatbasis, Glas-pulver auf Aluminiumsilikatbasis, Glaskeramikpul-ver auf Aluminiumsilikatbasis, und Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis sowie Glaskeramikpulver auf Aluminiumb) Trocknen der geformten Aufschl?mmung,wobei ein ungebrannter Verbundgegenstand erhalten wird, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einer Matrix dispergiert sind, die aus der Gruppe gew?hlt ist, welche aus einer Glaspulvermatrix auf Bor-silikatbasis, einer Glaspulvermatrix auf Aluminiumsili-katbasis, einer Glaskeramikpulvermatrix auf Aluminium-silikatbasis, und einer Matrix aus einem Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis und einem Glaskeramikpulver auf Aluminiumsilikatbasis besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Brennens des ungebrannten Verbundgegen-standes, wobei ein gebrannter Verbundgegenstand erhal-ten wird, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen auf-weist, welche in einer Matrix dispergiert sind, die aus der Gruppe gew?hlt ist, welche aus einer Glaspulverma-trix auf Borsilikatbasis, einer Glaspulvermatrix auf Aluminiumsilikatbasis, einer Glaskeramikpulvermatrix auf Aluminiumsilikatbasis, und einer Matrix aus einem Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis und einem Glaske-ramikpulver auf Aluminiumsilikatbasis besteht.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, ferner gekennzeich-net durch den Schritt des Sinterns des ungebrannten Verbundgegenstandes, wobei ein Verbundkeramikgegenstand erhalten wird, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einer Matrix dispergiert sind, die aus der Gruppe gew?hlt ist, welche aus einer Glasmatrix auf Borsilikatbasis und einer Glaskeramikmatrix auf Aluminiumsilikatbasis besteht, wobei der Sinterungs-schritt bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 820 bis etwa 950°C durchgeführt wird.
Description:
Die Erfindung befasst sich mit einem Verbundgegenstand, wel-cher Mullitblasen aufweist, welche in einer Glasmatrix und/oder einer Glas-Keramik-Matrix dispergiert sind, sowie mit einem Verfahren zum Herstellen desselben.
"Elektronische Geh?use" oder "elektronische Baugruppen" beziehen sich allgemein auf eine Anordnung, welche halblei-tende Siliziumchips hat, die an einem Substrat über eine Leiterbahn angebracht sind, wobei die Chips mittels Kunst-stoff- oder Keramikmaterialien eingekapselt sind. ?bliche und elektronische Geh?use umfassen Dual-in-Line-Geh?use (DIP), Chiptr?ger, flache Karten und Stiftgitteranordnungen.
Um die Geschwindigkeit der elektronischen Signale durch das Substrat zu steigern, hat das Substrat vorzugsweise eine niedrige Dielektrizit?tskonstante. Die Dielektrizit?tskon-stante des Substrats ist insbesondere bei hohen Frequenzen von Bedeutung. Elektronische Geh?usematerialien nach dem Stand der Technik umfassen polymere Materialien mit niedri-ger Dielektrizit?tskonstante. Derartige Polymere jedoch haben hohe W?rmeausdehnungskoeffizienten (etwa 15?10?6/°C), welche nicht gut zu den W?rmeausdehnungskoeffizienten von Silizium (etwa 3,5?10?6/°C) passen. Da Siliziumchips haftend an dem Substrat vorgesehen sind, führt diese Fehlanpassung des W?rmeausdehnungskoeffizienten zu w?rmeinduzierten mecha-nischen Belastungen über einen grossen Bereich von Temperatu-ren hinweg und schliesslich zu einem Versagen der Komponente.
Glas-Keramik-Verbundstoffe wurden ebenfalls für elektroni-sche Anwendungen eingesetzt. Eine Glaskeramik ist üblicher-weise definiert als ein Verbundwerkstoff, welcher einen grossen (typischerweise 95 bis 98) Volumenprozentsatz von sehr kleinen Kristallen (im allgemeinen kleiner als 1 Mikro-meter) der Keramikphase haben, welche mit einer kleinen Menge einer Restglasphase vermischt ist, wodurch man einen porenfreien Verbundwerkstoff erh?lt.
Glaskeramikmaterialien werden in typischer Weise mittels einer gesteuerten Kristallisation von Glasmaterialien herge-stellt. Alternativ l?sst sich ein Glaskeramikmaterial dadurch erhalten, dass man Keramikpulver und Glaspulver vermischt und diese sintert, um ein Glaskeramikmaterial herzustellen.
Beispielsweise beschreibt die GB-A-22 35 443 (Ismail et al.), ver?ffentlicht am 3. M?rz 1991 ein Verfahren zum Her-stellen von Mullit/Cordierit-Keramikverbundstoffen, bei dem Mullit- und Cordierit-Feststoffdispersionen miteinander ver-mischt werden, ein Gel hieraus erstellt wird und dann ein Brennen erfolgt, um einen Mullit/Coridierit-Keramikwerkstoff herzustellen, bei dem Mullit ein Keramikmaterial ist und Cordierit ein Glaskeramikmaterial ist. Es wird angegeben, dass die Mullit/Cordierit-Keramik als ein Substratmaterial für integrierte Schaltungen zweckm?ssig ist.
In US-PS 47 52 531 (Steinberg) ist eine dielektrische Zu-sammensetzung angegeben, welche ein Gemisch aus feinverteil-ten Feststoffen aufweist, welche (a) ein nichtkristallisier-bares Glas mit einer Deformationstemperatur (Td) von 580 bis 625°C und einem Erweichungspunkt (Ts) von 630 bis 700°C und einen Ts-Td-Wert von 50 bis 75°C und (b) ein w?rmebest?ndiges Material aufweist, welches im wesentlichen im Glas bei Tem-peraturen von 825 bis 900°C unl?slich ist. Die Dielektrizi-t?tskonstante der Arbeitsbeispiele in dieser Patentschrift liegt in einem Bereich von 6,5 bis 8,0 bei 1 KHz.
Glaskeramiksubstrate, welche eine Dielektrizit?tskonstante von etwa 5,6 haben, und aus Glas- und Aluminiumoxidpulver hergestellt sind, sind an sich bekannt. Diese Substrate sind insbesondere zweckm?ssig, da sie mit Kupfer oder Gold ges-intert werden k?nnen. Siehe hierzu beispielsweise Shimade et al., "Low Firing Temperature Multi-Layer Glassceramic Sub-strate", IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Technol., 6, (4), Seiten 382?86 (1983).
Hohle Glasmikrokugeln wurden in Glas- Keramik- und Kunst-stoffmatrixmaterialien zum Einsatz bei elektronischen Ein-richtungen eingebracht. Beispielsweise beschreibt US-A-48 67 935 (Morrison, Jr.) ein Verfahren zum Herstellen einer Glas-masse mit niedriger Dielektrizit?tskonstante, welche hohle Glasmikrokugeln in einer Glasmatrix aufweist. Diese Masse ist in Form eines Bandes oder eines Fl?chengebildes vergiess-bar, und eine mehrlagige Fl?chengebildestruktur l?sst sich aus dem Band herstellen.
In EP-A-02 34 896 (Kellerman), ver?ffentlicht am 2. Septem-ber 1987 ist ein Material mit niedriger Dielektrizit?tskon-stante zur Verwendung bei der Ausbildung von Dickfilmschal-tungen beschrieben, wobei das Material eine Dickfilmisola-tionsmatrix mit einer Standardviskosit?t, einen organischen Dickfilmtr?ger und eine Mehrzahl von trockenen, hohlen Glas-mikrokugeln aufweist.
Die JP-A-59-1 11 345, ver?ffentlicht am 27. Juni 1984 be-schreibt Hohlkugeln (z. B. Aluminiumoxidmikrokugeln), welche in einer Glasmatrix dispergiert sind. Die angegebene Dielek-trizit?tskonstante des Verbundstoffes bel?uft sich auf 4 bis 5.
Die US-A-49 94 302 (Kellerman) beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Keramikbandes, bei dem hohle Glas- oder Aluminiumoxidmikrokugeln in ein ungesintertes bzw. rohes Keramikband eingedrückt werden und dann ein Brennen erfolgt.
Die US-A-51 08 958 (Moh et al.) beschreibt einen Verbund-stoff, welcher hohle, dünnwandige, feuerbest?ndige kerami-sche (beispielsweise Mullit) Blasen aufweist, welche über ein feuerbest?ndiges keramisches Matrixmaterial (beispiels-weise Aluminiumphosphat, Aluminiumoxid, Mullit, Steatit, Forsterit und Cordierit) gleichm?ssig verteilt sind.
Eine W?rmeausdehnungsfehlanpassung zwischen den Komponenten aus einem Verbundstoff, welcher beispielsweise aus der Ma-trixkomponente und den Blasen oder Mikrokugelkomponenten besteht, kann zu Schwierigkeiten hinsichtlich des Leistungs-verm?gens führen. Wenn derartige Verbundstoffe beispiels-weise erw?rmt werden, um eine Metallisierungsschicht auf-zubringen, k?nnen Aufw?lbungen auftreten. Wenn die W?rmeaus-dehnungsfehlanpassung betr?chtlich ist, kann es zu einem Zersplittern der Blasen in dem Matrixmaterial oder zu einer Rissbildung bei dem Matrixmaterial kommen.
Der Einsatz von Glasblasen in Matrixmaterialien von Ver-bundstoffen, welche auf hohe Temperaturen (beispielsweise gr?sser als 900°C) erw?rmt werden, kann unzweckm?ssig sein. Beispielsweise werden Substrate, welche zusammen mit einer Metallisierungsschicht gebrannt werden, in typischer Weise auf Temperaturen in einem Bereich von 850 bis etwa 950°C erw?rmt. Das Substrat, welches Glasmikrokugeln enth?lt, und das bei derartig hohen Temperaturen gebrannt wird, besitzt die Neigung, dass es eine unregelm?ssige Oberfl?che erh?lt, dass sich Aufw?lbungen zeigen und dass es spr?de wird. Diese unerwünschten Effekte sind auf Glasblasen zurückzuführen, die sich bei den Metallisierungstemperaturen in dem Bereich von etwa 900 bis etwa 950°C erweichen und aufl?sen. Bei-spielsweise wird von Verwe? et al. in "Hollow Glass Micros-phere Composites: Preparation and Properties" J. Mater. Sci., 20, 1985, Seiten 1069?78 eine R?ntgenstrahldiffrak-tions- und Elektronenabtastmikroskopie von Siliziumoxidmi-krokugeln angegeben, welche bei Temperaturen kristallisie-ren, die bei dem vorstehend beschriebenen Metallisierungs-verfahren auftreten.
Kristobalit, ein kristallines Polymorph von Siliziumoxid bildet sich bei Temperaturen in einem Bereich von 600 bis 700°C aus. Die Ausbildung von Kristobalit führt zu einer Volumenexpansion, welche dazu führt, dass die Mikrokugeln vollst?ndig zusammenbrechen.
Bei elektronischen Anwendungsgebieten ist es erwünscht, dass die Substrate, welche Mikrokugeln aufweisen, diese Mikroku-geln unzerst?rt enthalten. Gebrochene oder zerkleinerte Mikrokugeln führen zu einem Verlust an hermethischer Abdich-tung und zu einer Vergr?sserung der Dielektrizit?tskonstante.
Für elektronische Anwendungen besteht ein Bedürfnis nach einem Substrat, welches vielseitig einsetzbar ist und Brenn-temperaturen bis zu etwa 950°C, eine niedrige Dielektrizi-t?tskonstante (kleiner als etwa 6), eine hohe mechanische Festigkeit, eine gering offene Porosit?t (vorzugsweise keine offene Porosit?t), eine Formhaltigkeit beim Brennen und eine glatte Oberfl?che (d. h. eine geringe Balligkeit, vorzugs-weise von weniger als etwa ±0,05 mm) hat.
Die Erfindung stellt einen keramischen Verbundgegenstand bereit, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einem Matrixmaterial dispergiert sind, das aus der Gruppe gew?hlt ist, welche aus einem Glasmatrixmaterial auf Borsilicatbasis und einem Glas-Keramik-Matrixmaterial auf Aluminiumsilicatbasis besteht. Der Keramikverbundgegenstand nach der Erfindung kann ferner ein elektrisch leitendes Material aufweisen, welches als ?berzug auf einer Oberfl?che desselben vorgesehen ist.
Der Fachmann versteht unter der Bezeichnung "Keramik" ein Material im umfassenden oder allgemeinen Sinn, welches Glas, Glaskeramik und kristalline Keramik umfasst, und im engeren Sinne versteht man hierunter kristalline Keramikmaterialien. Der Begriff "Keramik", welcher hierbei im allgemeinen Sinne zu verstehen ist, umfasst Glas, Glaskeramik und kristalline Keramik.
Der hierin verwendete Begriff "Glas" bezieht sich auf ein amorphes (d. h. ein Material, welches ein diffuses R?ntgen-strahldiffraktionsmuster ohne bestimmte Linien hat, die das Vorliegen einer kristallinen Phase anzeigen) anorganisches Oxidmaterial, welches bei hohen Temperaturen (beispiels-weise etwa über 900°C) erweicht oder das Strukturgefüge verliert.
Der hierin verwendete Begriff "kristalline Keramik" bezieht sich auf ein kristallines, anorganisches Oxidmaterial, wel-ches seine Strukturintegrit?t bei hohen Temperaturen (ober-halb etwa 1000°C) beibeh?lt.
Der hierin verwendete Begriff "Glaskeramik" bezieht sich auf ein Verbundmaterial mit einem grossen Volumenprozentsatz (vorzugsweise 95 bis 98) von sehr kleinen Kristallen (vor-zugsweise kleiner als etwa 1 um) der kristallinen Kera-mikphase, welche mit einer kleinen Menge der Glasphase ver-mischt ist, so dass man ein Verbundwerkstoff erh?lt, der im wesentlichen frei von offener Porosit?t ist. Obgleich ein kristallines Keramikmaterial, welches mittels der Flüs-sigphasensinterung verdichtet wurde, eine sehr kleine Menge einer amorphen oder glasartigen Phase an dem Korngrenzen haben kann, wird ein derartiges Material auf diesem Fachge-biet nicht als ein Glaskeramikmaterial bezeichnet.
Gem?ss einem weiteren L?sungsgedanken nach der Erfindung wird ein ungebrannter ("grüner") Verbundgegenstand angegeben, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einem Matrixmaterial dispergiert sind, das aus der Gruppe gew?hlt ist, welche aus einem Glaspulvermatrixmaterial auf Borsilicatbasis, einem Glaspulvermatrixmaterial auf Alumini-umsilicatbasis, einem Glaskeramikpulvermatrixmaterial auf Aluminiumsilicatbasis und einem Matrixmaterial aus einem Glaspulver auf Aluminiumsilicatbasis und einem Glaskeramik-pulver auf Aluminiumsilicatbasis besteht.
Gem?ss einem weiteren Aspekt nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Verbundgegenstan-des bereitgestellt, welcher eine Mehrzahl von Mullitblasen aufweist, welche in einem Matrixmaterial dispergiert sind, das aus der Gruppe gew?hlt ist, die aus einem Glasmatrixma-terial auf Borsilicatbasis und einem Glaskeramikmatrixmate-rial auf Aluminiumsilicatbasis besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:a) Formgebung einer Aufschl?mmung, welche ein flüs-siges Medium, ein Plastifizierungsmittel, ein Bindemittel, eine Mehrzahl von Mullitblasen und ein Matrixmaterial auf-weist, das aus der Gruppe gew?hlt ist, welche aus Glaspulver auf Borsilicatbasis, Glaspulver auf Aluminiumsilicatbasis, Glaskeramikpulver auf Aluminiumsilicatbasis, und Glaspulver auf Aluminiumsilicatbasis und Glaskeramikpulver auf Alumini-umb) Trocknen der geformten Aufschl?mmung, wobei ein ungebrannter Gege undc) Sintern des ungebrannten K?rpers.
Ein Gesichtspunkt bei dem Verfahren nach der Erfindung ist darin zu sehen, dass ein grüner oder teilweise gesinterter Gegenstand zusammen mit einem Vorprodukt eines stark elek-trisch leitenden Materials (beispielsweise Gold, Silber, Silber/Palladium, und Kupfer) auf einer Oberfl?che hiervon gebrannt werden kann.
Der Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung ist bei Anwendungsf?llen zweckm?ssig, bei denen ein Material erfor-derlich ist, welches eine niedrige Dielektrizit?tskonstante, einen niedrigen Verlustfaktor, thermische Expansionseigen-schaften, welche mit Silizium kompatibel sind, und eine gute mechanische Festigkeit aufweist. Der keramische Verbundge-genstand nach der Erfindung ist insbesondere als ein Sub-strat für Dickfilmschaltungen, Geh?use für integrierte Schaltungsanordnungen (d. h. Abdeckungen) und Materialien, wie Gyrotronfenster, geeignet, welche eine Durchl?ssigkeit für Mikrowellen oder Wellen im Millimeterbereich erforder-lich machen, und die zus?tzlich akzeptierbare Energieüber-tragungswirkungsgrade besitzen.
Typischerweise weist der Verbundgegenstand nach der Erfin-dung Mollitblasen in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 70 Volumenprozent basierend auf dem Gesamtvolumen des Verbund-keramikgegenstands auf. Vorzugsweise sind die Mullitblasen in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 40 Volumenprozent ba-sierend auf dem Gesamtvolumen des Verbundkeramikgegenstandes+?+19992DEA
vorhanden, und insbesondere liegt der Bereich in der Gr?ssen-ordnung von etwa 20 bis etwa 30 Volumenprozent. Wenn die Mullitblasen in einer Gr?ssenordnung von wesentlich kleiner als etwa 15 Volumenprozent vorhanden sind, ist die Neigung vorhanden, dass ein Verbundkeramikgegenstand zu spr?de wird.
Das Vorhandensein von wesentlich mehr als etwa 70 Volumen-prozent Mullitblasen führt zu der Tendenz, dass ein Verbund-keramikgegenstand eine Biegesteifigkeit und eine Balligkeit (d. h. eine hohe Balligkeit, bei welcher es sich um die Gleichm?ssigkeit der Ebenheit über die gesamten Abmessungen des Gegenstands handelt) hat, welche ungünstiger als bei keramischen Gegenst?nden ist, welche die Mullitblasen in den bevorzugten Bereichen haben.
Bei der Wahl der Rohmaterialien, die zur Zubereitung des Verbundkeramikgegenstands nach der Erfindung eingesetzt werden, und bei der Wahl der Mittel, mit denen die Rohmate-rialien verarbeitet werden, sollte dahingehend Sorge getra-gen werden, dass m?glichst wenige kontaminierende Stoffe mit eingebracht werden, welche die elektrischen Eigenschaften des Verbundkeramikgegenstands nachteilig beeinflussen. Kon-taminierende Stoffe, welche die elektrischen Eigenschaften des Verbundkeramikgegenstandes nachteilig beeinflussen, um-fassen beispielsweise Na2O oder K2O. Vorzugsweise ist die Menge an Na2O, wenn sie in dem Verbundkeramikgegenstand vorhanden ist, der für elektronische Anwendungen eingesetzt wird, kleiner als etwa 50 ppm. Wenn vorhanden, bel?uft sich die Menge von K2O in dem Verbundkeramikgegenstand, der für elektronische Anwendungen eingesetzt wird, vorzugsweise auf weniger als etwa 2 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt auf weniger als etwa 1 Gewichtsprozent.
Geeignete Mullitblasen oder -mikrokugeln k?nnen mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das in US-A-50 77 241 (Moh et al.) beschrieben ist. Derartige Mullitblasen oder -mikrokugeln sind typischerweise für sichtbares Licht durch-l?ssig. Vorzugsweise werden die Mullitblasen dadurch er-stellt, dass Aluminiumborsilikatblasen erw?rmt werden, welche als #4 in der Tabelle 2 in US-A-50 77 241 angegeben sind und diese in Luft bei etwa 1200°C drei Stunden lang erw?rmt werden. Alternativ sind bevorzugte Mullitblasen jene, die mit #9 in Tabelle 2 in der US-A-50 77 241 angegeben sind. Vorzugsweise ist das Mullit oder die Blasen auf Mullitbasis feuerbest?ndig (d. h. sie behalten ihre Struktur und Inte-grit?t bis wenigstens etwa 1800°C bei), und es handelt sich dabei um feuerbest?ndige kristalline Keramikmaterialien. Die Schüttdichte bzw. Raummasse der Mullitblasen liegt typi-scherweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,6 g/cm3.
Typische geeignete Mullitblasen haben einen Durchmesser von bis zu etwa 50 um. Vorzugsweise haben die Mullitblasen einen Durchmesser in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 50 um.
Insbesondere liegt der Durchmesser der Mullitblasen in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 15 um und in besonders bevorzug-ter Weise in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 10 um.
Mullitblasen, welche Durchmesser von kleiner als etwa 1 um haben, k?nnen zweckm?ssig sein, aber es besteht hierbei die Tendenz, dass sie schwer herzustellen sind. Der Einsatz von Mullitblasen, welche Durchmesser haben, welche wesentlich gr?sser als etwa 15 um sind, führt zu der Tendenz, dass man Verbundkeramikgegenst?nde erh?lt, welche niedrigere Dichten, eine ungünstigere Balligkeit und ungünstigere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu dem Einsatz von Mullitblasen haben, welche Durchmesser innerhalb der bevorzugten Bereiche besitzen.
Vorzugsweise liegt die Wanddicke der Mullitblasen in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,5 um. Blasen, welche Wand-dicken haben, die wesentlich kleiner als etwa 0,05 um sind, haben die Neigung, dass sie zu zerbrechlich bei der Verarbei-tung in dem Verbundkeramikgegenstand sind.
Geeignete Glasmaterialien auf Borsilikatbasis umfassen jene an sich bei diesen Systemen bekannten Sorten, welche aus der Gruppe gew?hlt sind, welche Bleiborsilikat, Lithiumborsili-kat, Kaliumborsilikat, Kalziumborsilikat, Natriumborsilikat, Magnesiumborsilikat, Bariumborsilikat, Aluminiumborsilikat und Kombinationen hiervon umfasst. Das bevorzugteste Glasma-terial auf Borsilikatbasis ist Bleiboraluminiumsilikatglas.
Vorzugsweise hat das Glas auf Borsilikatbasis einen W?rme-ausdehnungskoeffizienten bei einem Temperaturbereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1?10?6 bis etwa 9?10?6/°C. In bevorzugterer Weise bel?uft sich der W?rmeausdehnungskoeffizient des Glasmaterials auf Borsili-katbasis in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 300°C auf Werte in einem Bereich von etwa 1,2?10?6 bis etwa 8,8?10?6/°C und in noch bevorzugterer Weise liegen sie in einem Bereich von etwa 2?10?6 bis etwa 5?10?6/°C. Insbesondere liegt der W?rmeausdehnungskoeffizient in einem Bereich von etwa 3?10?6 bis etwa 4?10?6/°C.
Das Glasmaterial auf Borsilikatbasis hat vorzugsweise eine Dielektrizit?tskonstante bei 1 MHz in einem Bereich von etwa 2 bis 6 und einen Verlustfaktor (Dissipationsfaktor) von kleiner als etwa 0,004. Vorzugsweise hat das Glasmaterial auf Borsilikatbasis eine Dielektrizit?tskonstante bei 1 MHz in einem Bereich von etwa 3 bis etwa 5 und einen Verlustfak-tor von kleiner als etwa 0,002. Der Begriff "Verlustfaktor (Dissipationsfaktor)", welcher hierin verwendet wird, bedeu-tet das Verh?ltnis zwischen der wiedergewinnbaren (gespei-cherten) und der nicht wiedergewinnbaren (Verlust als W?rme) Energie in einem Material, wenn ein elektrisches Feld an dasselbe angelegt wird.
Geeignete Glasmaterialien auf Borsilikatbasis sind im Handel beispielsweise von Ferro Corporation in Cleveland, Ohio und von Corning Glass Company in Corning, NY, erh?ltlich.
Geeignete Glasmaterialien und Glaskeramikmaterialien auf Aluminiumsilikatbasis umfassen die auf diesem Gebiet an sich bekannten Systeme, welche aus der Gruppe gew?hlt sind, wel-che Magnesiumaluminiumsilikat, Lithiumaluminiumsilikat, Zinkaluminiumsilikat, Kalziumaluminiumsilikat und Kombina-tionen hiervon umfasst, wobei das Glasmaterial auf Aluminium-silikatbasis ein Vorprodukt einer Glaskeramik auf Aluminium-silikatbasis ist. Das bevorzugteste Glasmaterial auf Alumi-niumsilikatbasis ist ein Glasmaterial auf Magnesiumalumini-umsilikatbasis. Das bevorzugteste Glaskeramikmaterial auf Aluminiumsilikatbasis ist eine Magnesiumaluminiumsilikat-glaskeramik.
Das Glasmaterial oder die Glaskeramik auf Aluminiumsilikat-basis kann ferner Nuklierungsmittel, welche an sich bekannt sind, aufweisen.
Bekannte kristalline Keramikphasen in den vorstehend genann-ten Aluminiumsilikatglaskeramikmaterialien umfassen bei-spielsweise Cordierit (2MgO±2Al2O3±5SiO2), Gehlenit (2CaO±Al2O3±SiO2), Anorthit (2CaO±Al2O3±2SiO2), Hardystonit (2CaO±Zno±2SiO2), Akermanit (2CaO±MgO±2SiO2), Spodumen (Li2O±Al2O3±4SiO2), Willemit (2ZnO±SiO2) und Gahnit (ZnO±Al2O3).
Zus?tzlich zu dem Aluminiumsilikatglaspulver ? Glaskeramik-pulver oder Kombinationen hiervon kann die Aufschl?mmung oder Fest-Flüssig-Dispersion ferner kristalline Keramikpul-ver auf Aluminiumsilikatbasis aufweisen.
Vorzugsweise hat die Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis einen W?rmeausdehnungskoeffizienten bei einem Temperaturbe-reich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1?10?6 bis etwa 9?10?6/°C. In bevorzugterer Weise liegt der W?rmeausdehnungskoeffizient der Glaskeramik auf Aluminiumsi-likatbasis bei etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 1,2?10?6 bis etwa 8,8±10?6/°C und in noch bevorzugterer Weise in einem Bereich von etwa 2?10?6 bis etwa 5?10?6/°C. In noch bevorzugterer Weise liegt der W?rmeausdehnungskoeffi-zient in einem Bereich von etwa 3?10?6 bis etwa 4?10?6/°C.
Die Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis hat vorzugsweise eine Dielektrizit?tskonstante bei 1 MHz in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 6 und einen Verlustfaktor von kleiner als etwa 0,004. In bevorzugterer Weise hat die Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis eine Dielektrizit?tskonstante bei 1 MHz in einem Bereich von etwa 3 bis etwa 5 und einen Ver-lustfaktor von kleiner als etwa 0,002.
Geeignete Magnesiumaluminiumsilikatglaskeramikmaterialien sind beispielsweise von Spezialglasfirmen wie Oldsmar in FL erh?ltlich.
Die Teilchengr?sse des Glasmaterials auf Borsilikatbasis oder des Glasmaterials auf Aluminiumsilikatbasis oder der Glaske-ramik kann mittels an sich bekannten Techniken verkleinert werden, welche beispielsweise das Zerkleinern, das Mahlen mittels einer Nasskugelmühle, das Mahlen mittels einer Troc-kenkugelmühle und das Strahlmahlen umfassen.
Das flüssige Material für das Nasskugelmahlen des Glases oder der Glaskeramik, falls erforderlich, sowie zur Zubereitung der Aufschl?mmung ist Wasser, eine organische Flüssigkeit oder eine Kombination hiervon. Bevorzugte flüssige Medien sind eine organische Flüssigkeit. Bevorzugte organische Flüssigkeiten umfassen beispielsweise Toluol, Trichlorethy-len, Ethylalkohol und Kombinationen hiervon.
In typischer Weise ist das flüssige Medium in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Volumenprozent basierend auf dem Gesamtvolumen der Aufgabestoffe der Kugelmühle vorhanden.
Glas auf Borsilikatbasis oder Glas auf Aluminiumsilikatbasis oder Glaskeramik oder Glas- und Glaskeramikpulver, Mullit-blasen, flüssige Medien, Plastifizierungsmittel und Binde-mittel k?nnen mit an sich bekannten Techniken vermischt werden, welche beispielsweise das Rühren mittels Luftzugabe oder das Schalldispergieren umfassen. Hierbei sollte Sorge getragen werden, dass das Rohmaterial die Mullitblasen sowe-nig wie m?glich besch?digt ohne dass m?glichst wenige Kon-taminierungen, beispielsweise ausgehend vom Beh?lter, von Mischrührern, usw. in die Aufschl?mmung eingebracht werden.
Um die Mullitblasen oder Mikrokugeln m?glichst wenig zu besch?digen, werden das Glas- oder Glaskeramikpulver, das flüssige Medium, das Plastifizierungsmittel und das Binde-mittel vorzugsweise sorgf?ltig vermischt, bevor die Mullit-blasen zugegeben werden.
Geeignete flüssige Medien für die Aufschl?mmung sind die voranstehend beim Nasskugelmahlen des Glasmaterials oder der Glaskeramik beschriebenen. In typischer Weise ist das Medium in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 70 Volumenprozent ba-ierend auf dem Gesamtvolumen der Aufschl?mmungsbestandteile (einschliesslich der Mullitblasen) vorhanden.
Um Luft zu entfernen, welche in die Aufschl?mmung einge-schlossen werden kann, wird die Aufschl?mmung in typischer Weise unter einem Vakuum beispielsweise unter Anwendung einer Saugeinrichtung entlüftet.
Die Aufschl?mmung weist übliche organische Bindemittel und Plastifizierungsmittel auf, welche auf diesem Gebiet bekannt sind, und die die Bildung eines Grünlings unterstützen. Zweckm?ssige organische Plastifizierungsmittel umfassen bei-spielsweise Glycerol, Polyethylenglycol (im Handel erh?lt-lich beispielsweise unter der Warenbezeichnung "PEG 2000" von Union Carbide in Danburry, CT), Polyalkylenglycol, Bu-tylbenzylphtalat, und Dioctylphtalat (im Handel beispiels-weise erh?ltlich unter der Warenbezeichnung "DOP" von Al-drich Chemical Co. in Milwaukee, WI). Das Gewichtsverh?ltnis von Plastifizierungsmittel zu Glaspulver oder Glaskeramik-pulver liegt typischerweise in einem Bereich von etwa 1 : 10 zu etwa 1 : 15. Zweckm?ssige organische Bindemittel umfassen beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral (im Handel beispielsweise erh?ltlich unter der Warenbezeichnung "BUTVAR B76" von Monsanto Polymers und Petrochemicals in St. Louis, MO), und Acrylpolymeremulsionen. Das Gewichtsverh?ltnis von Bindemittel zu Glaspulver oder Glaskeramikpulver liegt typi-scherweise in einem Bereich von etwa 1 : 9 zu etwa 1 : 15.
Die Aufschl?mmung kann ferner Dispergierungshilfsmittel auf-weisen, welche an sich bekannt sind, und welche beispiels-weise Mais?l und Fisch?l umfassen.
Der Aufschl?mmung kann die gewünschte Form unter Einsatz von üblichen Techniken, wie Bandgiessen, Extrudieren und Schlit-tergiessen verliehen werden. Das bevorzugte Verfahren zur Formgebung der Aufschl?mmung ist das Bandgiessen. Die bevor-zugte Form ist ein Fl?chengebilde oder ein Wafer. In typi-scher Weise wird ein Fl?chengebilde gegossen, und dann wird es anschliessend in dünne Scheibchen, d. h. Wafer, umgewan-delt. Vorzugsweise wird ein "grünes" Fl?chengebilde zu Wa-fern geschnitten.
Das Bandgiessen ist ein übliches Verfahren, welches eine Rakel oder ein Abstreichmesser einsetzt. Zum Bandgiessen ist die Viskosit?t der Aufschl?mmung vorzugsweise in einem Be-reich von etwa 2000 bis etwa 2900 cps bestimmt unter Ver-wendung eines üblichen Viskosimeters (beispielsweise das unter der Warenbezeichnung "Model RVT Viscometer" von Brook-field Engineers in Stoughton, MA erh?ltlich ist). Die Visko-sit?t der Aufschl?mmung, welche üblicherweise zu niedrig ist, kann dadurch gr?sser gemacht werden, dass ein Teil des flüssigen Mediums abgezogen wird. ?blicherweise wird das flüssige Medium aus der Aufschl?mmung w?hrend des Mischvor-ganges mittels Verdampfen abgezogen.
Die geformte Aufschl?mmung wird sorgf?ltig getrocknet, um einen "grünen" Gegenstand ohne Risse und W?lbungen herzu-stellen. Das Trocknen kann mittels einigen üblichen Techni-ken zum Entfernen von flüssigen Medien erfolgen, welche bei-spielsweise das Erw?rmen umfassen. Vorzugsweise wird die geformte Dispersion in Luft bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 40°C erw?rmt.
Die Dicke eines "grünen" Bandes liegt typischerweise in einem Bereich von etwa 0,2 bis etwa 2 mm.
Vorzugsweise wird der "grüne" Gegenstand nach der Erfindung auf eine Temperatur und eine solche Zeit lang erw?rmt, dass die organischen Bestandteile ausgebrannt werden. Vorzugs-weise wird der "grüne" Gegenstand langsam auf eine Tempera-tur in dem Bereich von etwa 25 bis etwa 350°C so ausreichend lange erw?rmt, dass die organischen Bestandteile ausgebrannt werden (d. h. kalziniert werden). Die bevorzugte Erw?rmungs-rate h?ngt von der Atmosph?re ab, in welcher der Gegenstand erw?rmt wird, sowie von der Menge und der Art der vorhande-nen organischen Bestandteile. Vorzugsweise ist die Erw?r-mungsrate so ausreichend niedrig, dass eine Rissbildung, eine Pockenbildung oder eine Zerst?rung des "grünen" Gegenstands w?hrend der Entfernung der organischen Bestandteile minimal ist oder verhindert wird. Vorzugsweise wird der "grüne" Gegenstand in Luft erw?rmt.
Das Sintern und die Temperatur hierbei sind so ausreichend, dass das Glas- oder Glas-Keramikmatrixmaterial verdichtet, vorzugsweise vollst?ndig verdichtet wird. Die Sinterungs-atmosph?re ist typischerweise Luft. Typischerweise liegt die Sintertemperatur in einem Bereich von etwa 820 bis etwa 950°C. Für einen Verbundstoffgegenstand, welcher Glas auf Borsilikatbasis aufweist, liegt die Sintertemperatur vor-zugsweise in einem Bereich von etwa 820 bis etwa 850°C. Bei einem Verbundstoffgegenstand andererseits, welcher Glaskera-mik auf Aluminiumsilikatbasis aufweist, liegt die Sintertem-peratur vorzugsweise in einem Bereich von etwa 820 bis etwa 950°C.
Beim Sintern eines Gegenstandes, welcher von Glaspulver auf Aluminiumsilikatbasis abgeleitet ist, kann es erforderlich sein, dass der Erw?rmungszyklus modifiziert werden muss, um die gewünschte Keimbildung bzw. Nuklierung und das Wachstum der Glaskeramik auf Aluminiumsilikatbasis zu erreichen. Die Modifikation h?ngt von der Zusammensetzung des Glases auf Aluminiumsilikatbasis ab. Die Erw?rmungsbedingungen, die zur Keimbildung und zum Wachstum der Glaskeramik auf Alumini-umsilikatbasis erforderlich sind, sind für eine Vielzahl von unterschiedlichen Zusammensetzungen auf dem Gebiet bekannt. Alternativ kann der Fachmann die geeigneten Erw?rmungsbedin-gungen aus einer Zeit-Temperatur-Umwandlungs(TTT)untersu-chung des Glases bestimmen.
Die Dicke eines Fl?chengebildes oder eines Wafers des Ver-bundkeramikgegenstandes nach der Erfindung liegt vorzugs-weise in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1 mm.
Die Dichte des Verbundkeramikgegenstandes liegt typischer-weise in einem Bereich von etwa 0,70 bis etwa 2,2 g/cm3. Vorzugsweise liegt die Dichte des Verbundkeramikgegenstandes in einem Bereich von etwa 0,85 bis etwa 2,2 g/cm3. Vorzugs-weise ist die Biegefestigkeit des Verbundkeramikgegenstands bestimmt nach der ASTM-Verfahrensweise F417 (1984) mit der Bezeichnung "Modulus of Rupture Test for Electric/Electronic Devices" (1990 Book of ASTM Standards, Band 10.04, Amer. Soc. for Testing and Materials, 1990), dessen Offenbarungs-gehalt durch die Bezugnahme mit zur vorliegenden Anmeldungs-offenbarung zu rechnen ist, ist gr?sser als etwa 15 MPa. Vorzugsweise ist die Biegefestigkeit gr?sser als eine Festig-keit von etwa 50 MPa. Vorzugsweise ist die Biegefestigkeit des Verbundkeramikgegenstandes gr?sser als etwa 70 MPa und in noch bevorzugterer Weise gr?sser als etwa 90 MPa.
Die Balligkeit bzw. W?lbung des Verbundkeramikgegenstandes ist vorzugsweise kleiner als etwa ±0,05 mm.
Für einen Verbundkeramikgegenstand, welcher eine Aluminium-silikatglaskeramik aufweist, ist die Korngr?sse der Kera-mikphase vorzugsweise kleiner als 1 um.
Vorzugsweise hat der Verbundkeramikgegenstand nach der Er-findung bei einer Temperatur von etwa 25°C eine Dielektrizi-t?tskonstante bei 1 MHz in dem Bereich von etwa 2 bis etwa 6, und einen Verlustfaktor von kleiner als etwa 0,004. Vor-zugweise hat der Verbundkeramikgegenstand bei etwa 25°C eine Dielektrizit?tskonstante bei 1 MHz in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 5, und einen Verlustfaktor von kleiner als etwa 0,002.
Vorzugsweise hat der Verbundkeramikgegenstand nach der Er-findung einen W?rmeausdehnungskoeffizienten in dem Tempera-turbereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einer Gr?ssenordnung von etwa 1?10?6 bis etwa 9?10?6/°C. Vorzugsweise bel?uft sich der W?rmeausdehnungskoeffizient des Verbundkeramikgegenstan-des auf einen Wert in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich auf einen Wert in einem Bereich von etwa 2?10?6 bis etwa 5?10?6/°C, und in noch bevorzugterer Weise hat der W?rmeausdehnungskoeffizient einen Wert in einem Bereich von etwa 3?10?6 bis etwa 4?10?6/°C.
Die Homogenit?t des Verbundkeramikgegenstandes nach der Erfindung ist von Bedeutung, um bestimmte und wiederholbare Dielektrizit?tskonstanten und Verlustgr?ssen über gewisse Temperaturbereiche und Frequenzen hinweg zu erreichen. Die Homogenit?t des Verbundkeramikgegenstands kann man durch den Einsatz von mikrobemessenen Blasen erreichen, welche eine enge Gr?ssenverteilung haben. Der Verbundkeramikgegenstand muss vi???18713DEA
ele Blasen pro Kubikwellenl?nge der elektromagneti-schen Strahlung haben (d. h. der Durchmesser der Blasen bel?uft sich auf einen nennenswerten Bruchteil der Wellen-l?nge der auftreffenden Strahlung), damit der Gegenstand sich als ein homogenes Material verh?lt. Wenn der Durchmes-ser der Blasen einen nennenswerten Bruchteil der Wellenl?nge der auftreffenden Strahlung betr?gt, wirken die Blasen als einzelne Strahlenteiler. Für Hochfrequenzstrahlungen bei-spielsweise (z. B. 100 GHz) müssen die Blasen Durchmesser in der Gr?ssenordnung von zehn Mikrometer oder kleiner haben.
Die physikalischen, elektrischen, mechanischen und w?rmespe-zifischen Eigenschaften des Verbundkeramikgegenstandes las-sen sich durch Variation der Zusammensetzung des Gegenstan-des entsprechend abstimmen.
Ein Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung ist beim Einsatz als ein elektronisches Substrat, auf welchem sich ein Siliziumchip befindet, derart beschaffen, dass der W?rme-ausdehnungskoeffizient der Verbundkeramik zwischen etwa 25 und etwa 3OOoC vorzugsweise etwa gleich wie der W?rmeausdeh-nungskoeffizient von Silizium ist (d. h. von etwa 25 bis etwa 300°C in einem Bereich von etwa 3,4?10?6 bis etwa 4?10?6/°C).
Bei einem Verbundkeramikgegenstand, welcher ferner ein elek-trisch leitendes Material aufweist, welches als ?berzug auf einer Oberfl?che desselben vorgesehen ist, l?sst sich das Verfahren zum Herstellen des Verbundkeramikgegenstandes mit an sich bekannten Techniken modifizieren, welche zum Auf-bringen eines Dickfilms aus einem elektrisch leitenden Mate-rial auf der Oberfl?che eines Keramikmaterials beim Einsatz einer integrierten Schaltungskomponente geeignet sind. Bei-spielsweise kann ein Vorprodukt eines elektrisch leitenden Materials (beispielsweise eine Metallpaste) auf eine Ober-fl?che des "grünen" Gegenstands, eines teilweise gesinterten "grünen" Gegenstands, eines Verbundkeramikgegenstands oder einer Kombination hiervon aufgebracht werden. Die Paste kann auf eine Oberfl?che unter Einsatz von an sich bekannten Techniken aufgebracht werden, welche beispielsweise das Siebdrucken umfassen.
Geeignete elektrisch leitende Metallpasten sind im Handel beispielsweise von E. I. Dupont de Nemours in Wilmington, DE erh?ltlich. Bevorzugte elektrisch leitende Metalle umfassen jene, die aus der Gruppe gew?hlt sind, welche Gold, Silber, Silber/Palladium und Kupfer umfasst.
Die Paste muss typischerweise auf eine Temperatur in einer solchen Weise erw?rmt werden, dass das Metall der Paste die Oberfl?che des Glasgegenstands oder des Gegenstands auf Glaskeramikbasis benetzt.
Vorzugsweise wird die Paste vor dem Erw?rmen auf die Sinter-temperatur des Keramikverbundstoffes getrocknet. Wenn die Paste auf einen "grünen" Gegenstand, einen gebrannten Gegen-stand oder einen teilweise gesinterten Gegenstand aufge-bracht wird, kann der erhaltene Verbundgegenstand zusammen hiermit auf die Sintertemperatur gebrannt werden, welche zur Herstellung des Verbundkeramikgegenstandes erforderlich ist.
Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt auch die Herstellung von mehrschichtigen Verbundkeramikgegenst?nden, welche ggf. elektrisch leitende Materialien auf der Ober-fl?che einer oder mehrerer Schichten haben. Ferner wird auch ein mehrschichtiger Verbundkeramikgegenstand miterfasst, welcher elektrisch leitendes Material auf der Oberfl?che von zwei oder mehreren Schichten hat, welche elektrische Ver-bindungen dazwischen haben k?nnen.
Der Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung ist bei Anwendungsf?llen zweckm?ssig, welche ein Material erforder-lich machen, das eine niedrige Dielektrizit?tskonstante, einen niedrigen Verlustfaktor, W?rmeausdehnungseigenschaf-ten, welche mit Silizium kompatibel sind, und eine gute mechanische Festigkeit hat. Der Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung ist insbesondere als ein Substrat für Dickfilmschaltungen, Geh?use für integrierte Schaltungsan-ordnungen (d. h. Abdeckungen) und Materialien, wie Gyrotron-fenster geeignet, welche eine Durchl?ssigkeit für Mikrowel-len oder Wellen im Millimeterbereich zus?tzlich dazu erfor-derlich machen, dass man geeignete Energieübertragungswir-kungsgrade hat.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachstehenden Beispielen. Die speziell aufgeführten Materialien und Mengenangaben, welche in diesen Beispielen angegeben sind, sowie weitere Bedingungen und Einzelheiten sind aber nicht beschr?nkend für die Erfindung zu verstehen. Alle Teile und Prozentsatzangaben beziehen sich auf das Gewicht, wenn nichts anderes angegeben ist.Beispiel 1
Eine 2600 cm3-Porzellankugelmühle wurde mit etwa 1400 Gramm Aluminiumoxidmahlgut (1,5 cm D im Handel erh?lt-lich von U.S. Stoneware Co. in Mahwah, NJ), etwa 683 Gramm Toluen, etwa 6,7 Gramm Mais?l, etwa 41,6 Gramm Dioctylphta-lat (im Handel erh?ltlich unter der Warenbezeichnung "DOP" von Aldrich Chemical Co. in Milwaukee, WI), etwa 25 Gramm Polyethylenglykol (2000 im Handel erh?ltlich unter der Warenbezeichnung "PEG 2000" von Union Carbide in Danbury, CT) und etwa 335 Gramm eines Blei-Boraluminiumsilikatglas-pulvers (im Handel erh?ltlich unter der Warenbezeichnung "IP 745REG" von Ferro Corporation in Cleveland, OH) beschickt. Diese Bestandteile wurden mittels Kugeln mit einer Drehzahl von etwa 100 U/min etwa 16 Stunden lang gemahlen. Etwa 35,9 Gramm Polyvinylbutyral (im Handel erh?ltlich unter der Wa-renbezeichnung "BUTVAR B76" von Monsanto Polymers und Petro-chemicals in St. Louis, MO) wurden der Kugelmühle zugegeben. Die Bestandteile wurden dann für weitere zwei Stunden gemah-len.
Mullitblasen wurden dadurch hergestellt, dass die Aluminium-borsilikatblasen, welche mit #4 in der Tabelle 2 in US-A-50 77 241 (Moh et al.) angegeben sind, in Luft bei etwa 1200°C etwa drei Stunden lang erw?rmt wurden. Etwa 15 Gramm Mullit-blasen, welche einen Durchmesser in einem Bereich von etwa 2 bis 15 um haben, wurden etwa 100 ml der nach dem Kugelmahlen erhaltenen Aufschl?mmung der vorstehend genannten Art zu-gegeben und es erfolgte eine Umrühren mit etwa 300 l/min unter Verwendung eines luftbetriebenen Mischers, welcher einen Rührer mit 3,2 Zentimeter hatte. Das Gemisch aus Auf-schl?mmung und Mullitblasen wurde w?hrend des Rührens einge-dickt, da das flüssige Medium verdampfte. Wenn die Viskosi-t?t des Gemisches gr?sser als etwa 2900 cps war, wurde das Gemisch unter Vakuum gebracht, und es wurde zur Entlüftung ein Saugdruck angelegt.
Das entlüftete Gemisch aus Aufschl?mmung und Mullitblasen wurde dann gleichm?ssig auf eine silikonbeschichtete Polyest-erfolie unter Verwendung einer üblichen Rakeltechnik gegos-sen. Das gegossene Band wurde bei Raumtemperatur etwa 10 Stunden trocknen gelassen. Das getrocknete Band wurde dann von der Polyesterfolie abgestreift, um ein "grünes" Fl?chen-gebilde zu erhalten. Das "grüne" Fl?chengebilde wurde dann auf Stücke mit Abmessungen von 3,2 cm auf 2,4 cm zugeschnit-ten.
Zum Test der Brauchbarkeit eines Verbundkeramikgegenstandes nach der Erfindung als ein elektronisches Substrat wurden mehrere "grüne" Stücke mit einem ?berzug aus einer Palladi-um/Silbermetallpaste (welche im Handel unter der Warenbe-zeichnung "PD/AG 6120" von E. I. Dupont de Nemours in Wil-mington, DE erh?ltlich ist), auf eine Oberfl?che der Stücke metallisiert. Die Metallpaste wurde mittels Siebdruck auf die "grünen" Substrate mit Hilfe von üblichen Techniken aufgebracht. Die mittels Siebdruck aufgebrachte, leitende Metallpaste wurde dann in einem Ofen bei etwa 80°C etwa dreissig Minuten lang getrocknet.
Der erhaltene Gegenstand wurde dann in einem üblichen Wider-standsofen in Luft gem?ss folgenden Bedingungen getrocknet:Raumtemperatur bis etwa 350°C mit etwa 30°C/M Belassen bei etwa 350°C w?hrend etwa 1 S 350°C bis etwa 850°C mit etwa 30°C/M und Belassen bei etwa 850°C für etwa 12 Minuten.
Die lineare Schrumpfung des gesinterten Verbundkeramikgegen-stands belief sich auf etwa 12,5 Prozent. Die Balligkeit bzw. die W?lbung des gesinterten Verbundkeramikgegenstands war kleiner als etwa ±0,05 Millimeter. Die Dichte des ges-interten Verbundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 1,7 g/cm3.
Die Dielektrizit?tskonstante und der Verlustfaktor des ges-interten Verbundkeramikgegenstands wurde unter Verwendung einer üblichen Impedanzanalyse gemessen (im Handel unter der Warenbezeichnung "HP 4192A ANALYZER" von Hewlett Packard Corp. in Palo Alto, CA). Die Dielektrizit?tskonstante des gesinterten Verbundkeramikgegenstands belief sich bei 25°C und 1 MHz auf etwa 3,5 und der Verlustfaktor auf etwa 0,0001.
Die Biegesteifigkeit (d. h. 3-Punkt-Bruchwert) wurde nach dem ASTM-Verfahren F417 (1984) mit dem Titel "Modulus of Rupture Test for Electric/Electronic Device" (1990 Book of ASTM Standards, Band 10.04, Amer. Soc. for Testing and Mate-rials, 1990) bestimmt, welches durch die Bezugnahme voll inhaltlich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung zu rechnen ist. Die Biegesteifigkeit des gesinterten Ver-bundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 98 MPa (14,000 psi).
Der Koeffizient der W?rmeausdehnung wurde über einen Tempe-raturbereich von etwa 20 bis etwa 400°C unter Verwendung eines üblichen W?rmeanalysensystems gemessen (im Handel erh?ltlich unter der Warenbezeichnung "PERKIN-ELMER 7 SERIES THERMAL ANALYSIS SYSTEM" von Perkin-Elmer Corp. in Norwalk, CT). Der W?rmeausdehnungskoeffizient des gesinterten Ver-bundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 3,5?10?6/°C.
Ein Querschnitt des Verbundkeramikgegenstands gem?ss dem Bei-spiel 1 wurde mit Hilfe eines Abtastelektronenmikroskops untersucht. Die Mullitblasen wurden als gleichm?ssig in der Glasmatrix verteilt festgestellt.Beispiel 2
Das Beispiel 2 verdeutlicht den Effekt der Menge der in dem gesinterten Verbundkeramikgegenstand vorhandenen Mullitbla-sen. Die Beispiele 2A, 2B, 2C und 2D wurden wie beim Bei-spiel 1 beschrieben hergestellt und getestet, abgesehen davon, dass das Volumen der Mullitblasen, welche in dem ges-interten Verbundkeramikgegenstand vorhanden sind, von etwa 28 bis etwa 56 Volumenprozent basierend auf dem Gesamtvolu-men des gesinterten Verbundkeramikgegenstandes variiert wurde, und dass der Durchmesser der Mullitblasen in dem Be-reich von etwa 2 bis etwa 30 um variiert wurde. Die Ergeb-nisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.Tabelle 1 ?ta5,6:12,6:20,6:29,6:33,6??tz,5? ?tw,4??sg8?\Beispiel\ VolumenprozentMullitblasen %\ Dielektrizit?ts-konstante bei1 MHz (bei 25?C), k\ Verlustfaktorbei 1 MHz(bei 25?C)?tz5,10? ?tw,4??sg9?\2A\ 28\ 6,1\ 0,0020?tz? \2B\ 34\ 5,3\ 0,0016?tz? \2C\ 43\ 4,6\ 0,0023?tz? \2D\ 56\ 3,0\ 0,0005?tz? ?te??sb37,6??el1,6?
Die Dielektrizit?tskonstante des gesinterten Verbundkeramik-gegenstandes wurde kleiner, wenn der Prozentsatz der Mullit-blasen, welche in dem Verbundkeramikgegenstand vorhanden waren, gr?sser wurde. Die angegebene Dielektrizit?tskonstante der Bleiborsilikatglassorten liegt in dem Bereich von etwa 7 bis etwa 8.Beispiel 3
Beispiel 3 verdeutlicht einen Verbundkeramikgegenstand nach der Erfindung, welcher einen Magnesiumaluminiumsilikatglas-keramik aufweist. Eine 2600 cm3-Porzellankugelmühle wurde mit etwa 1400 Gramm Aluminiumoxidmahlpulver (1,5 cm Durch- von U.S. Stoneware Co.), etwa 300 Gramm eines Cor-dieritglaspulvers (im Handel erh?ltlich unter der Warenbe-zeichnung "SP 980" von Specialty Glass Company in Oldsmar, FL), etwa 6 Gramm Mais?l, etwa 612 Gramm Toluol, etwa 22,4 Gramm Polyethylenglykol ("PEG 2000") und etwa 37,3 Gramm Dioctylphtalat ("DOP") beschickt. Die Rohmaterialien wurden in der Kugelmühle etwa 4 Stunden lang gemahlen. Etwa 32,2 Gramm Polyvinylbutyral ("BUTVAR B76") wurden der Kugelmühle zugegeben. Die Rohmaterialien wurden dann mittels der Kugel-mühle etwa weitere zwei Stunden gemahlen. Etwa 100 Millili-ter der erhaltenen Aufschl?mmung wurde mit etwa 6 Gramm Mullitblasen (hergestellt wie beim Beispiel 1) vermischt, welche einen Durchmesser von etwa 10 Mikrometern hatten. Die erhaltene Aufschl?mmung wurde geformt, getrocknet und mit-tels Siebdruck mit einem Palladium/Silber-Dickfilmleiter versehen, wie dies beim Beispiel 1 angegeben ist, und dann erfolgte eine Sinterung, wie dies beim Beispiel 1 angegeben ist, abgesehen davon, dass der Erw?rmungszyklus wie folgt war:Raumtemperatur auf etwa 350°C mit etwa 15°C/M Belassen bei etwa 350°C w?hrend etwa 1 S 350°C bis etwa 950°C bei 15°C/M und Belassen bei etwa 950°C für etwa 1 Stunde.
Die Mullitblasen beliefen sich auf etwa 28 Volumenprozent des gesinterten Verbundkeramikgegenstands. Der gesinterte Verbundkeramikgegenstand wurde wie beim Beispiel 1 angegeben getestet.
Die Balligkeit des gesinterten Verbundkeramikgegenstands war kleiner als etwa ±0,05 Millimeter. Die Dichte des gesinter-ten Verbundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 2,27 g/cm3.
Die Dielektrizit?tskonstante des gesinterten Verbundkeramik-gegenstands bei etwa 25°C und bei 1 MHz belief sich auf etwa 4,4 mit einem Verlustfaktor von etwa 0,0012.
Die Biegesteifigkeit des gesinterten Verbundkeramikgegen-stands belief sich auf etwa 84 MPa (12,000 psi).Beispiel 4
Beispiel 4 wurde wie beim Beispiel 3 zubereitet und gete-stet, abgesehen davon, dass der Volumenprozentsatz der Mul-litblasen, welche in den gesinterten Verbundkeramikgegen-st?nden vorhanden waren, ausgehend von etwa 21 bis etwa 35 Volumenprozent variiert wurde, und dass der Durchmesser der Mullitblasen in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 30 Mikro-meter variiert wurde. Die Ergebnisse sind in der nachstehen-den Tabelle 2 angegeben.Tabelle 2 ?ta1,6:7:13:19,6:26:32,6:37,6??tz,5? ?tw,4??sg8?\Beispiel\ VolumenprozentMullitblasen %\ Dichte desgesintertenVerbundkeramik-gegenstands, g/cm·\ Dielektrizit?ts-konstantebei 1 MHz(bei 25?C), k\ Verlustfaktorbei 1 MHz(bei 25?C)\ Biegesteifigkeit,MPa(psi)?tz5,10? ?tw,4??sg9?\4A\ 21\ 2,2\ 5,2\ 0, (10,8)?tz? \4B\ 28\ 1,8\ 4,4\ 0, (7,9)?tz? \4C\ 35\ 1,9\ 4,0\ 0, (8,3)?tz? ?te?
Die Dielektrizit?tskonstante wurde kleiner, wenn der Volu-menprozentsatz der Mullitblasen gr?sser wurde, welche in den gesinterten Keramikgegenst?nden vorhanden waren.Beispiel 5
Die Zubereitung bei Beispiel 5 erfolgte wie beim Beispiel 3 sowie auch die Prüfung derselben, abgesehen davon, dass der Volumenprozentsatz der Mullitblasen, welche in dem gesinter-ten Verbundkeramikmaterial vorhanden waren, ausgehend von etwa 28 bis etwa 57 Volumenprozent variiert wurde, und dass der Durchmesser der Mullitblasen in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 50 um lag. Die Ergebnisse sind in der nachste-hend angegebenen Tabelle 3 aufgeführt.Tabelle 3 ?ta1,6:7:13:19,6:26:32,6:37,6??tz,5? ?tw,4??sg8?\Beispiel\ VolumenprozentMullitblasen %\ Dichte desgesintertenVerbundkeramik-gegenstands, g/cm·\ Dielektrizit?ts-konstantebei 1 MHz(bei 25?C), k\ Verlustfaktorbei 1 MHz(bei 25?C)\ Biegesteifigkeit,MPa(psi)?tz5,10? ?tw,4??sg9?\5A\ 28\ 1,5\ 3,9\ 0, (6,6)?tz? \5B\ 35\ 1,1\ 3,3\ 0, (4,3)?tz? \5C\ 44\ 1,0\ 2,5\ 0, (3,3)?tz? \5D\ 57\ 0,85\ 2,3\ 0, (2,4)?tz? ?te?
Die gesinterten Verbundkeramikgegenst?nde nach dem Beispiel 5 hatten eine glatte, weisse Oberfl?che, welche frei von Rissen war. Die gesinterten Verbundkeramikgegenst?nde hatten keine nennenswerte W?lbung. Die Dielektrizit?tskonstante und die Dichte wurden kleiner, wenn der Volumenprozentsatz der vorhandenen Blasen gr?sser wurde, was mit dem Einbringen eines gr?sseren Prozentsatzes an Luft in den Verbundstoff zusammenh?ngt. Die Biegesteifigkeit wurde mit zunehmend gr?sser werdender Menge der Mullitblasen kleiner.
Der W?rmeausdehnungskoeffizient beim Beispiel 5B von etwa 25°C bis etwa 400°C belief sich auf etwa 1,17?10?6/°C.Vergleichsbeispiel
Der Verbundkeramikgegenstand mit Aluminiumoxidblasen, welche in einer Magnesiumaluminiumsilikatglaskeramik dispergiert waren, wurde hergestellt.
Das Vergleichsbeispiel wurde wie beim Beispiel 3 zubereitet und getestet, abgesehen davon, dass Aluminiumoxidmikroblasen (Durchmesser von etwa 6 Raummasse etwa 1 g/cm3; im Han-del erh?ltlich von ZYP Coatings, Inc. in Oak Ridge, TN) anstelle der Mullitblasen eingesetzt wurden. Die Sinterungs-bedingungen waren gleich wie beim Beispiel 3.
Die Dielektrizit?tskonstante des gesinterten Verbundkeramik-gegenstands bei etwa 25°C und etwa 1 MHz belief sich auf etwa 4,85 und der Verlustfaktor auf etwa 0,01. Die Biege-steifigkeit des gesinterten Verbundkeramikgegenstands belief sich auf etwa 40,6 MPa (5,8 ksi). Die relativ niedrige Bie-gesteifigkeit ist vermutlich auf die unzul?ngliche Verdich-tung zurückzuführen.
Zur weiteren Verdichtung des gesinterten Vergleichsbeispiels erfolgte eine weitere Sinterung bei etwa 980°C eine Stunde lang. Bei der Sinterung auf dieser h?heren Temperatur jedoch verlor der Verbundkeramikgegenstand seine Ebenheit vermut-lich in Folge der Fehlabstimmung der W?rmeausdehnung der Magnesiumaluminiumsilikatglas-Keramikmatrix (typischerweise etwa 2?10?6/°C) und der Aluminiumoxydmikroblasen (typischer-weise mit etwa 8,8?10?6/°C). Ferner wurde festgestellt, dass der gesinterte Keramikgegenstand bei 980°C W?lbungen hatte und Risse zeigte.
Zahlreiche Modifikationen und ?nderungen der Erfindung k?n-nen vom Fachmann vorgenommen werden, ohne den Erfindungs-gedanken zu verlassen, und die Erfindung ist nicht auf die dargestellten bevorzugten Ausführungsformen beschr?nkt, welche vorstehend erl?utert wurden.
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