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DE3621667C2 - - Google Patents

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DE3621667C2
DE3621667C2 DE3621667A DE3621667A DE3621667C2 DE 3621667 C2 DE3621667 C2 DE 3621667C2 DE 3621667 A DE3621667 A DE 3621667A DE 3621667 A DE3621667 A DE 3621667A DE 3621667 C2 DE3621667 C2 DE 3621667C2
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Germany
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insulating
conductive
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temperature
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Tsuneo Kaneko
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Toshiba Corp
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Priority claimed from JP16723585A external-priority patent/JPS6229194A/ja
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Description

Die Erfindung betrifft ein mit einer Mehrzahl von Dick­ filmen beschichtetes Substrat nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung des Substrats nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 2.
Zur Verminderung des Gewichts und der Größe von elek­ tronischen Geräten werden bekanntlich in zunehmendem Maße integrierte Hybridschaltungen eingesetzt. Solche zusammengesetzten integrierten Schaltungen erhält man durch Anlöten von Halbleiterelementen und kleinen elektronischen Teilen an ein Dickfilmsubstrat, das durch Aufdrucken von leitenden Dickfilmmaterialien und Widerstandsmaterialien auf eine isolierende Unterlage hergestellt ist.
Ein übliches Verfahren zur Herstellung eines solchen Dickfilmsubstrats besteht darin, daß man auf einer iso­ lierenden Unterlage aus einem keramischen Material eine leitende Schicht vorsieht. Diese leitende Schicht er­ hält man durch Aufdrucken einer leitenden Paste mit beispielsweise Silber/Palladium-(Ag/Pd)-Pulver nach dem Siebdruckverfahren und anschließendes Brennen des aufgedruckten Musters. Danach wird durch Siebdruck eine Widerstandspaste mit beispielsweise Rutheniumoxid-(RuO2)- Pulver und Glasmasse aufgedruckt und zur Bildung eines Widerstands gebrannt. Zuletzt werden die Verbindungsteile zwischen der leitenden Schicht und dem Widerstandsmaterial mit YAG-Laserstrahlen bestrahlt, um den Widerstandswert abzugleichen. Um eine für die Praxis ausreichend hochdichte Integration zu realisieren, ist es üblich, mehrere leitende Schichten mit einer zwischen benachbarten leitenden Schichten angeordneten Isolierschicht zu kombinieren.
Nachteilig an der bekannten leitenden Paste auf Silber/ Palladium-Basis ist, daß ihre Impedanz 20-50 mΩ pro Flächeneinheit beträgt, eine durch Feuchtigkeitsabsorption bedingte Wanderung von Silber die elektrische Isolierung zusammenbrechen läßt und folglich die Zuverlässigkeit vermindert und infolge der Verwendung eines Edelmetalls in hohem Maße die Kosten des Endprodukts ansteigen.
Es wurde auch bereits versucht, mit einer leitenden Paste auf Kupferbasis zu arbeiten. Diese leitende Paste auf Kupferbasis muß in einer Atmosphäre von gasförmigem Stickstoff gebrannt werden, um eine Qualitätsverschlechterung der Paste infolge Oxidation des Kupfers zu verhindern. Vorteilhaft an der leitenden Paste auf Kupferbasis ist, daß man damit preisgünstig einen Leiter niedriger Impedanz von 2-5 mΩ pro Flächeneinheit herstellen kann.
Bei Verwendung einer leitenden Paste auf Kupferbasis muß - wie bereits erwähnt - der Brennvorgang vollständig in einer Stickstoffatmosphäre ablaufen, um eine Oxidation der leitenden Schicht auf Kupferbasis zu vermeiden. Bislang gibt es jedoch noch keine Möglichkeit, mit hoher Zuverlässigkeit in einer Stickstoffatmosphäre einen Widerstand eines für die Praxis brauchbaren Widerstandswerts herzustellen. Folglich besteht das übliche Verfahren zur Herstellung eines mit einer Reihe von leitende Schichten umfassenden Dickfilm beschichteten Substrats darin, zunächst in einer in Fig. 1(a) dargestellten Stufe eine leitende Paste auf Silber/Palladium-Basis auf eine isolierende Unterlage 11 aus einem keramischen Material, wie Aluminiumoxid, aufzudrucken und die Masse an Luft bei einer Temperatur von etwa 850-900°C zu brennen, um eine untenliegende leitende Schicht 12 auszubilden. Danach erfolgt, wie in Fig. 1(b) dargestellt ist, die Herstellung einer isolierenden Schicht 13, indem eine isolierende Paste aus einer kristallinen dielektrischen Glasmasse hoher Erschmelzungstemperatur auf eine Fläche, die zwischen der unten liegenden leitenden Schicht 12 und der später beschriebenen darüberliegenden und sich mit der darunterliegenden Schicht 12 überschneidenden leitenden Schicht festgelegt ist, aufgedruckt wird. Danach wird - wie in Fig. 1(c) dargestellt ist - zur Herstellung eines Widerstands 14 eine Widerstandspaste auf Rutheniumoxidbasis aufgedruckt. Die in Stufe gemäß Fig. 1(b) aufgedruckte isolierende Paste und die in Stufe gemäß Fig. 1(c) aufgedruckte Widerstandspaste werden gleichzeitig an Luft bei hoher Temperatur in der Größenordnung von etwa 850-900°C gebrannt, wobei eine isolierende Schicht 13 und ein Widerstand 14 gebildet werden. Später wird dann - wie in Fig. 1(d) dargestellt ist - auf die isolierende Schicht 13 in Kontakt mit dem Widerstand 14 eine leitende Paste auf Kupferbasis aufgedruckt. Schließlich wird die gesamte Masse bei einer Temperatur von etwa 600-650°C in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt, um den obenliegenden Leiter 15 herzustellen. Zuletzt erfolgt eine Laserstrahltrimmung des Widerstands 14 zur Gewährleistung des erforderlichen Widerstandswerts. Im Laufe des geschilderten Verfahrens wird die Paste auf Kupferbasis bei relativ niedriger Temperatur von etwa 600-650°C gebrannt, um zu verhindern, daß sich der Widerstandswert des zuvor gebrannten Widerstands während des Brennens der Paste auf Kupferbasis merklich ändert.
Vor dem Aufdrucken der leitenden Paste auf Kupferbasis wurden die Widerstandspaste, die leitende Paste auf Silber/Palladium-Basis und die isolierende Paste an Luft gebrannt. Danach wird die leitende Paste auf Kupferbasis bei niedriger Temperatur in einer Atmosphäre von gasförmigem Stickstoff gebrannt, um eine Kupferoxidation zu verhindern und um Änderungen im Widerstandswert des Widerstands 14 zu unterdrücken.
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist jedoch, daß die Verwendung einer Silber/Palladium-Paste für den untenliegenden Leiter zu einer hohen Leiterimpedanz führt und ein Zusammenbruch der Isolierung infolge Silberwanderung bei Einwirkung hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit auf mehrlagige Substrate erfolgen kann. Folglich eignet sich der untenliegende Leiter lediglich als kurze Überbrückungsleitung. Schließlich läßt sich kein mit mehr als drei leitenden Schichten ausgestattetes Substrat herstellen.
Aus der DE-OS 27 55 935 ist eine Mehrlagen-Dickschicht­ schaltung bekannt, welche aus einem mehrschichtigen Gebilde besteht, bei dem leitende Schichten auf Kupfer­ basis und Isolierschichten einander abwechseln. Die leitenden Schichten bestehen aus einer Kupfer-Paste und die Isolierschichten aus einer Glasmasse, die beide in einem nicht-oxidierenden Gas gebrannt wurden.
Weiterhin ist aus der DE-OS 32 41 225 ein Verfahren zur Herstellung elektronischer Schaltelemente in Viel­ schicht-Dickfilm-Technik auf einem Substrab beschrie­ ben, bei dem auf ein Substrat eine erste Dickfilm-Lei­ terschicht aufgebracht und anschließend wärmebehandelt wird. Auf diese erste Dickfilm-Leiterschicht wird eine zweite Dickfilm-Leiterschicht aufgetragen, um bei­ spielsweise eine Leiterbahn nach oben zu ziehen. Auf anderen Bereichen der ersten Dickfilm-Leiterschicht wird eine erste Isolierschicht aufgebracht, die mit der zweiten Dickfilm-Leiterschicht in einer Ebene liegt. Auf die erste Isolierschicht wird eine zweite Isolier­ schicht aufgebracht, und in ähnlicher Weise wird die zweite Dickfilm-Leiterschicht mit einer dritten Dick­ film-Leiterschicht versehen. Schließlich wird auf der zweiten Isolierschicht eine vierte Dickfilm-Leiter­ schicht aufgetragen, und auch auf die dritte Dickfilm- Leiterschicht wird eine fünfte Dickfilm-Leiterschicht aufgebracht, um so eine Strombahn von der untersten, ersten Dickfilm-Leiterschicht über die zweiten und dritten Dickfilm-Leiterschichten zu den vierten und fünften Dickfilm-Leiterschichten zu schaffen. Die vier­ te Dickfilm-Leiterschicht bildet eine Resistorschicht, die von der dritten und der fünften Dickfilm-Leiter­ schicht kontaktiert wird.
Aus der DE-OS 19 16 789 ist eine durch Siebdruckver­ fahren hergestellte integrierte Mehrschichtschaltung bekannt, bei der in ähnlicher Weise wie in der Anordnung der DE-OS 32 41 225 Leitschichten und Glasschichten einander abwechseln, wobei ein "Chip" auch diffundierte Widerstände enthalten kann.
Schließlich sind aus der JP 59-1 31 540 Isolierpasten aus Glas für keramische Mehrschichtstrukturen bekannt, wobei diese Isolierpasten bei Temperaturen um 650°C eingebrannt werden und 40-65 Gew.-% ZnO, 15-27 Gew.-% B₂O₃, 4-20 Gew.-% SiO₂O, 2-8 Gew.-% Al₂O₃, 1-10 Gew.-% BaO, 0,05-2,0 Gew.-% SnO₂, 0,05-0,5 Gew.-% MgO+CaO+SrO und 0,05-3,0 Gew.-% Li₂O+Na₂O+K₂O enthalten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mehrlagige Dickschichtschaltung und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, wobei eine ausgezeichnete Haftfestigkeit der Glasmasse auf Al₂O₃-Oberflächen wie auch eine gute Haftfähigkeit der auf der Glasmasse aufgebrachten Cu-Leiterpasten gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird jeweils durch ein mit mehreren Dick­ filmen beschichtetes Substrat gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 2 gelöst.
Das mit einer Mehrzahl von Dickfilmen beschichtete Substrat wird also in folgenden Herstellungsstufen hergestellt:
Erste Stufe:
Aufdrucken einer Widerstandspaste auf eine isolierende Unterlage und Brennen der Paste an Luft zur Bildung eines Widerstands eines gegebenen Widerstandswerts;
Zweite Stufe:
Aufdrucken einer leitenden Paste auf Kupferbasis auf die Unterlage und Brennen der Paste bei niedriger Temperatur in einer Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff zur Ausbildung einer untenliegenden Leiterschicht;
Dritte Stufe:
Beschichten der untenliegenden leitenden Schicht mit einer isolierenden Paste aus einer zu diesem Zweck erstmalig bereitgestellten kristallinen Glasmasse niedriger Erschmelzungstemperatur und Brennen der Glas­ masse bei niedriger Temperatur in einer Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff zur Ausbildung einer isolierenden Schicht;
Vierte Stufe:
Aufdrucken einer leitenden Paste auf Kupferbasis auf die isolierende Schicht und Brennen der Paste bei niedriger Temperatur in einer Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff zur Ausbildung einer obenliegenden Schicht und
Letzte Stufe:
Wiederholung der Bildung einer isolierenden Schicht aus der Glasmasse und einer leitenden Schicht aus der leitenden Paste auf Kupferbasis zur Herstellung eines mit drei oder mehreren leitenden Schichten versehenen Substrats.
In dem geschilderten Fall wird die obenliegende leitende Schicht bei niedriger Temperatur als der Brenntemperatur des Widerstands gebrannt. Folglich dürfte die obenliegende leitende Schicht unzureichend gesintert sein und folglich an der Unterlage nur schwächer haften. Wenn folglich elektronische Teile, z. B. Halbleiterbauelemente oder sonstige plättchenartige elektronische Komponenten an die Oberfläche der obenliegenden leitenden Schicht angeschlossen würden, könnte es infolge des Gewichts der elektronischen Teile selbst und der auf diese elektronischen Teile ausgeübten äußeren Kräfte zu einer Ablösung des obenliegenden leitenden Teils von der Unterlage kommen. Folglich werden die elektronischen Teile an den untenliegenden Leiter angeschlossen. Dieser untenliegende Leiter wird insgesamt dreimal gebrannt, d.h. bei seinem eigenen Brennen, beim Brennen der isolierenden Schicht und beim Brennen der obenliegenden leitenden Schicht. Folglich dürfte es zu keinen Problemen infolge unzureichender Haftfestigkeit aufgrund des Brennens bei niedriger Temperatur kommen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 die Schrittfolge der Herstellung eines bekannten, mit zwei dicken leitenden Schichten beschichten Substrats;
Fig. 2 die Schrittfolge bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines mit zwei dicken leitenden Schichten beschichteten Substrats;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Anzahl der Brennvorgänge und den entsprechenden Änderungen in Widerstandswert;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Brenntemperatur und Änderungen im Widerstandswert;
Fig. 5 eine integrierte Hybridschaltungsplatte, die durch Anschließen von elektronischen Teilen an eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines mit zwei leitenden Dickfilmen beschichteten Substrats erhalten wurde;
Fig. 6 eine integrierte Hybridschaltungsplatte, die durch Anschließen von elektronischen Teilen an eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform eines mit drei leitenden Dickfilmen beschichteten Substrats erhalten wurde und
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Anzahl der Brennvorgänge und der Haftfestigkeit der leitenden Schicht an der Unterlage.
Gemäß Fig. 2(a) wird eine Widerstandspaste auf Rutheniumoxidbasis durch Siebdruck auf eine keramische Unterlage 16 aufgedruckt. Danach wird die Paste etwa 30 min lang an Luft bei einer Temperatur von etwa 850°C gebrannt, wobei ein Widerstand 17 entsteht. Nun wird gemäß Fig. 2(b) eine handelsübliche Paste auf Kupferbasis durch Siebdruck auf die keramische Unterlage 16 aufgedruckt. Nach dem Brennen dieser Platte bei einer Temperatur von etwa 600-650°C in einer Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff erhält man einen untenliegenden Leiter 18. Danach wird - wie sich aus Fig. 2(c) ergibt - eine aus einer später beschriebenen kristallinen Glasmasse niedriger Erschmelzungstemperatur bestehende isolierende Paste durch Siebdruck auf denjenigen Teil der Unterlage aufgedruckt, auf dem sich der untenliegende Leiter 18 mit der später beschriebenen obenliegenden Schicht überschneidet. Nach dem Brennen der isolierenden Paste in einer Atmosphäre von gasförmigem Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 600-650°C erhält man eine isolierende Schicht 19. Danach wird - wie aus Fig. 2(d) hervorgeht - eine leitende Paste auf Kupferbasis derart aufgedruckt, daß ein Kontakt zum Widerstand 17 besteht. Ferner wird die leitende Paste auf Kupferbasis auch auf die isolierende Schicht 19 aufgedruckt. Danach wird das Ganze etwa 30 min in einer Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 600-650°C gebrannt, wobei eine obenliegende Schicht 20 entsteht.
Vorzugsweise wird die zuletzt aufgedruckte und gebrannte obenliegende Schicht 20 an den Widerstand 17 angeschlossen. Der Grund dafür ist folgender: Wenn der untenliegende Leiter 18 mit dem Widerstand 17 in Kontakt steht, wie dies üblicherweise bei der Herstellung von Leitern auf Silber/Palladium-Basis der Fall ist, variiert der Widerstandswert entsprechend der in Fig. 3 gestrichelt gezeichneten Linie ganz erheblich. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei wiederholtem Brennen bei einer Temperatur von etwa 600-650°C zur Bildung der obenliegenden und untenliegenden Schichten 20, 18 und der isolierenden Schicht 19 in dem zwischen dem Widerstand 17 und dem untenliegenden Leiter 18 festgelegten Bereich eine Reaktion stattfindet. Andererseits kann auch der Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts (TCR) des Widerstands 17 erheblich beeinträchtigt werden, wodurch eine großtechnische Herstellung von mit einer Mehrzahl von Dickfilmen beschichteten Substraten erschwert würde.
Wenn andererseits die obenliegende Leiterschicht 20, die zuletzt aufgedruckt und gebrannt wird, an den Widerstand 17 angeschlossen ist, kann man - wie die durchgezogene Linie in Fig. 3 zeigt - Änderungen im Widerstandswert des Widerstands 17 weitestgehend unterdrücken. Auf diese Weise kann man auch die Beeinträchtigung des TCR selbst beim wiederholten Brennen vor dem Anschluß des obenliegenden Leiters 20 an den Widerstand 17 minimieren, da der Widerstand 17 lediglich mit der obenliegenden Schicht in Kontakt steht.
Im folgenden wird nun die aus einer kristallinen Glasmasse niedriger Erschmelzungstemperatur zubereitete isolierende Paste näher erläutert. Die Zubereitung dieser Paste besteht darin, daß 5-20 Gew.-% SiO2, 45-60 Gew.-% ZnO, 15-30 Gew.-% B2O3, 0,1-3 Gew.-% R2O (d.h. Li2O, Na2O und/oder K2O), 0,5-10 Gew.-% RO (d.h. MgO, CaO, BaO und/oder SrO), 0,5-5 Gew.-% Al2O3, 0,5-5 Gew.-% Bi2O3, 0,5-2 Gew.-% F und 0,5-2 Gew.-% SnO2 vermischt und dann die Mischung mit CoO, P2O5, ZrO2, CdO und/oder PbO versetzt werden, und zwar in einer Menge von jeweils mehr als 0,1 Gew.-% und höchstens 2 Gew.-%, 2 Gew.-%, 5 Gew.-%, 5 Gew.-% bzw. 3 Gew.-%. Das gesamte Gemisch muß dann bei einer unter der Kristallisationstemperatur, jedoch oberhalb 650°C liegenden Temperatur gebrannt werden.
Mit Hilfe dieser isolierenden Paste erhält man ohne vollständige Kristallisation eine isolierende Schicht, wodurch sich das Auftreten von bisher unvermeidlichen Lunkern unterdrücken läßt.
Im folgenden wird die prozentuale Zusammensetzung der Glasmasse näher erläutert:
SiO2: Wenn der SiO2-Gehalt unter 5 Gew.-% sinkt, verliert die Masse beim Erschmelzen ihre Viskosität, was zu Schwierigkeiten bei der Glasbildung führt. Wenn andererseits der SiO2-Gehalt über 20 Gew.-% liegt, steigt die Erweichungstemperatur, wodurch das Brennen des Materials bei niedriger Temperatur (600°C) beeinträchtigt wird.
ZnO: Wenn der ZnO-Gehalt unter 45 Gew.-% liegt, kristallisiert die Masse nicht. Wenn andererseits der ZnO-Gehalt über 60 Gew.-% steigt, sinkt die Kristallisationstemperatur auf einen zu niedrigen Wert.
B2O3: Wenn der B2O3-Gehalt unter 15 Gew.-% liegt, steigt die Erweichungstemperatur auf einen zu hohen Wert. Wenn andererseits der B2O3-Gehalt über 30 Gew.-% liegt, treten bei der vollständigen Kristallisation der Masse Schwierigkeiten auf.
R2O: Durch die Zugabe von Li2O, Na2O und/oder K2O wird das Erschmelzen des Glases beschleunigt. Wenn jedoch die Gesamtmenge an diesem (diesen) Zusatz (Zusätzen) 3 Gew.-% übersteigt, kommt es zu einem Abfall des Isolierwiderstands.
RO: Durch den Zusatz von MgO, CaO, BaO und/oder SrO soll das Erschmelzen des Glases beschleunigt werden. Wenn der Zusatz unter 0,5 Gew.-% liegt, kommt es nicht zu dem gewünschten Beschleunigungseffekt. Wenn andererseits der Zusatz mehr als 10 Gew.-% beträgt, steigt der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gemischs auf einen zu hohen Wert.
Al2O3: Liegt der Al2O3-Gehalt unter 0,5 Gew.-%, sinkt die Kristallisationstemperatur auf einen zu geringen Wert. Wenn andererseits der Al2O3-Gehalt über 5 Gew.-% steigt, erhöht sich die Erweichungstemperatur des Glases zu stark.
Bi2O3: Liegt der Bi2O3-Gehalt unter 0,5 Gew.-%, verschlechtert sich die Benetzbarkeit des Glases für die Aluminiumoxidunterlage. Wenn andererseits der Bi2O3-Gehalt über 5 Gew.-% steigt, erhöht sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des erhaltenen Gemischs zu stark.
F: Dieser Zusatz soll das Erschmelzen des Glases beschleunigen. Wenn mehr als 2 Gew.-% F zugesetzt werden, wird jedoch der Wärmeausdehnungskoeffizient des gebildeten Gemischs zu hoch.
SnO2: Dieser Zusatz dient zur Erhöhung der Wasserbeständigkeit des Glases. Liegt der SnO2-Zusatz unter 0,5 Gew.-%, leistet er keinen einschlägigen Beitrag. Wenn andererseits der SnO2-Zusatz über 2 Gew.-% liegt, läßt sich die gewünschte Wirkung nicht mehr weiter verbessern.
Wird mehr als 0,1 Gew.-% CoO, P2O5, ZrO2, CdO und/oder PbO zugesetzt, bleibt die Stabilität des Glases ohne Beeinträchtigung seines Isolierwiderstands erhalten. Wenn jedoch die Menge an den betreffenden Zusätzen 2, 2, 5, 5 bzw. 3 Gew.-% übersteigt, wird die Glasqualität ungleichmäßig, bzw. der durch den betreffenden Zusatz zu erzielende Effekt läßt sich nicht mehr weiter verbessern.
Die folgende Tabelle I enthält detaillierte Angaben über die erforderliche Glaszusammensetzung. Die Proben Nr. 1 bis Nr. 4 von Tabelle I stellen Beispiele für bei dem erfindungsgemäßen Substrat einsetzbare kristalline Glasmassen niedriger Erschmelzungstemperatur dar. Die Probe Nr. 5 ist ein Beispiel für ein übliches Isoliermaterial.
Durch Vermischen der in Tabelle I angegebenen Komponenten in den angegebenen Gewichtsmengen hergestellte Proben von kristallinen Glasmassen werden in einem Platinschmelztiegel bei einer Temperatur von 1 300- 1 400°C zu Glas erschmolzen. Die jeweils erhaltene glasige Masse wird zerkleinert und gesiebt und anschließend nach dem Naßverfahren zu Teilchen einer durchschnittlichen Größe von etwa 5 µm pulverisiert. Schließlich werden das jeweils erhaltene Pulver und eine geeignete Menge eines Trägermaterials (aus Ethylcellulose und Terpineol) zu einer Glaspaste vermischt.
Die jeweils erhaltene Glasplaste wird durch Siebdruck derart auf die Aluminiumoxidunterlage aufgedruckt, daß sie eine zunächst aufgedruckte und gebrannte Schicht, d. h. einen Leiter auf Kupferbasis und einen Widerstand auf Rutheniumoxid-(RuO2)-Basis, bedeckt. Danach wird das Ganze 10 min lang bei einer Temperatur von 600°C gebrannt, wobei eine isolierende Schicht einer Dicke von 40 µm erhalten wird. Zuletzt wird ein als zweite Schicht dienender Leiter auf Kupferbasis auf die isolierende Schicht aufgedruckt und -gebrannt.
TABELLE I
Tabelle II zeigt die physikalischen Eigenschaften der in der geschilderten Weise zubereiteten Glasmassen, nämlich den Isolierwiderstand der isolierenden Schicht, die Lötmittelbenetzbarkeit des auf der isolierenden Schicht ausgebildeten Leiters auf Kupferbasis, Änderungen in der Haftfestigkeit der isolierenden Schicht an der Oberfläche der Aluminiumoxidunterlage und die Widerstandswertänderung des Widerstands.
TABELLE II
Unter dem "Isolierwiderstand" ist ein Wert zu verstehen, der erhalten wird, wenn auf die jeweilige Glasmasse ein Gleichstrom von 50 V zwischen der ersten leitenden Schicht und der zweiten leitenden Schicht während 1 000 h in einem auf 60°C und bei konstanter relativer Feuchtigkeit von 95% gehaltenen Thermostaten einwirken gelassen wird.
Die Lötmittelbenetzbarkeit der auf der isolierenden Schicht gebildeten Leiter auf Kupferbasis wird wie folgt bestimmt: Es wird ein eutektisches Lötmittel aus Pb und Sn mit 2% Ag verwendet. Die Leiter werden 3 s bei 230°C in das Lötmittelbad eingetaucht. Diejenigen Leiter, bei denen mehr als 90% der Fläche der zweiten leitenden Schicht durch das Lötmittel benetzt sind, werden als "von guter Benetzbarkeit" bezeichnet.
Die Haftfestigkeit der isolierenden Schicht an der Aluminiumoxidunterlage wird wie folgt bestimmt: Ein Leiterdraht wird an die zweite leitende Schicht angelötet, worauf auf das Gebilde in senkrechter Richtung eine Zugkraft ausgeübt wird. Diejenige Glasmasse der isolierenden Schicht, bei deren Verwendung bei Ausübung einer Zugkraft von mehr als 1 kp/mm2 keine Trennung der Aluminiumoxidunterlage und der isolierenden Schicht erfolgt, wird als "von guter Haftung" bezeichnet.
Die prozentuale Änderung im Widerstandswert des Widerstands ergibt sich aus folgender Gleichung:
(R1 - R0)/R0 × 100
worin bedeuten:
R0 = der ursprüngliche Widerstandswert des Widerstands vor der Bildung der isolierenden Schicht und
R1 = eine Erhöhung des Widerstandswerts gegenüber dem ursprünglichen Widerstandswert R nach Ausbildung der isolierenden Schicht.
Nachteilig an dem allgemein akzeptierten Bleiglas niedrigen Erweichungs- und Kristallisationspunkts ist, daß beim Brennen einer Glaspaste in einer Atmosphäre aus gasförmigem Stickstoff das Blei reduziert wird und sich abscheidet, wodurch die Isolierungseigenschaften der isolierenden Schicht verloren gehen. Folglich wird eine bleifreie kristalline Glasmasse niedriger Erschmelzungstemperatur zum Einsatz gebracht. Zweckmäßigerweise sollte eine vornehmlich aus ZnO, B2O5, SiO2 und dergleichen bestehende Glasmasse, wie die vorgeschlagene Glasmasse, bei einer mehr als 200°C unter der Brenntemperatur des Widerstands 17 liegenden Temperatur gebrannt werden. Der Grund dafür ist folgender: Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird - wenn der Widerstand 17 bei 850°C gebrannt wird - die isolierende Paste bei einer Temperatur über 650°C gebrannt. In diesem Fall beträgt die Temperaturdifferenz gegenüber der Brenntemperatur des Widerstands 17 selbst vor Ausbildung der obenliegenden leitenden Schicht 20 weniger als 200°C. Beim wiederholten Brennen kommt es dann erwartungsgemäß zu Änderungen im Widerstandswert des Widerstands 17.
Man kann also - wie beschrieben - in vorteilhafter Weise ein mit einer Reihe von Dickfilmen beschichtetes Substrat mit einer selbst bei Verwendung einer üblichen Widerstandspaste vollständig aus einer Paste auf Kupferbasis hergestellten leitenden Schicht bereitstellen. Die Leiterimpedanz des erfindungsgemäßen Substrats fällt auf unter 1/10 der Leiterimpedanz eines üblichen Substrats mit einem Leiter auf Silber/Palladium-Basis, so daß der Leiter in Form sehr genauer Muster ausgebildet werden kann. Bei der verwendeten Paste auf Kupferbasis besteht eine weit geringere Gefahr einer Wanderung als bei einer üblichen Silber/Palladium-Paste, wodurch sich die Zuverlässigkeit erhöht. Man kann also dem Fachmann unter hoher Reproduzierbarkeit des erforderlichen Widerstandswerts einen Dickfilmwiderstand hervorragender elektrischer Eigenschaften an die Hand geben. Die großtechnische Fertigung von mit einer Reihe von Dickfilmen beschichteten Substraten wird möglich. Sowohl die isolierende Schicht als auch die leitende Schicht werden in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt, so daß man mit drei oder mehr Dickfilmen beschichtete Substrate herstellen kann.
Die Montage von elektronischen Teilen auf einem erfindungsgemäßen, mit einer Reihe von Dickfilmen beschichteten Substrat kann wie folgt ablaufen: Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wird auf eine isolierende Unterlage 16, eine Widerstandsschicht 17, eine isolierende Schicht 19 und obenliegende und untenliegende Leiter 20, 18 ein Lötmittelresistfilm aufgetragen. Gleichzeitig bleiben diejenigen Teile des untenliegenden Leiters 18, an die elektronische Teile angeschlossen werden sollen, frei. Der Lötmittelresistfilm 21 wird durch Siebdrucken eines Silikonharzes und Aushärten des Druckmusters bei einer Temperatur von 100-120°C hergestellt. Danach wird ein chipartiges elektronisches Bauteil 22 mit Hilfe eines Lötmittels 23 an die freiliegenden Teile des untenliegenden Leiters 18 angeschlossen. Auf diese Weise erhält man eine integrierte Schaltung mit einer Mehrzahl von Dickfilmen unter Verwendung einer Leiterpaste vollständig auf Kupferbasis.
Der Widerstand 17 wird mittels eines Lötmittels 23 in der angegebenen Reihenfolge an den obenliegenden Leiter 20, den untenliegenden Leiter 18, den obenliegenden Leiter 20 und den untenliegenden Leiter 18 und zuletzt an das elektronische Bauteil 22 angeschlossen. Das geschilderte Verfahren bietet den Vorteil, daß man beim Anschließen eines vom Widerstand entfernt liegenden elektronischen Bauteils ohne Schwierigkeiten mit Hilfe der isolierenden Schichten eine vollständige Musterbildung erreicht, und zwar auch dann, wenn zwischendurch andere leitende Schichten ausgebildet werden. Auf diese Weise vermeidet man die Notwendigkeit, auf der Unterlage langgestreckte und komplizierte Muster oder durchgehende Löcher vorsehen zu müssen.
Fig. 6 veranschaulicht eine integrierte Schaltungsplatte, die mit drei dicken leitenden Schichten beschichtet ist. Der Widerstand 17 ist mittels eines Lötmittels 23 in der angegebenen Reihenfolge an die Leiter 20, 18, 25, 20 und 25 und zuletzt an das elektronische Bauteil 22 angeschlossen.
In Fig. 5 ist das elektronische Bauteil 22 mittels eines Lötmittels 23 an den untenliegenden Leiter 18, in Fig. 6 an den untenliegenden Leiter 25 angeschlossen. Die Leiter 18, 25 werden insgesamt dreimal gebrannt, und zwar zunächst, wenn sie selbst gebrannt werden, dann, wenn die isolierende Schicht 19 bzw. 26 gebrannt wird und schließlich, wenn der obenliegende Leiter 20 gebrannt wird. Folglich sind die Leiter 18, 25 fest an die Unterlage gebunden.
Fig. 7 zeigt in graphischer Darstellung, daß eine erhöhte Zahl von Brennvorgängen die Haftfestigkeit entsprechend erhöht. Die leitende Schicht wird in einer ungeraden Anzahl von Brennvorgängen gebrannt. Wenn mehrmals von einmal bis dreimal gebrannt wird, wird die leitende Schicht unmittelbar unter dem obenliegenden Leiter an ein elektronisches Bauteil angeschlossen, wobei die Haftfestigkeit des Leiters 25-30% höher liegt. Wird der Brennvorgang fünfmal wiederholt, d.h. wenn eine leitende Schicht zwei Schichten unter der obersten leitenden Schicht an das elektronische Bauteil angeschlossen ist, beträgt die Haftfestigkeit dieser leitenden Schicht 30-35% mehr als im Falle, daß nur einmal gebrannt wird. Folglich kann man nach Ablagerung des Widerstands die Isolierschicht und die leitende Schicht bei niedriger Temperatur brennen, wobei trotzdem niemals die Gefahr besteht, daß die Unterlage eine unzureichende Haftung an der mit dem elektronischen Bauteil verbundenen leitenden Schicht aufweist.
Die isolierende Schicht und die leitende Schicht brauchen nicht unbedingt in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt zu werden, es ist vielmehr auch möglich, beim Brennvorgang in einer anderen Inertgasatmosphäre, z.B. in einer Argon- oder Heliumatmosphäre, zu arbeiten.

Claims (4)

1. Mehrlagige Dickschichtschaltung, bestehend aus einer iso­ lierenden Unterlage (16) und einem auf der Unterlage (16) befindlichen mehrschichtigen Gebilde, bei dem sich eine leitende Schicht (18, 20, 25) aus einem leitenden Material auf Kupferbasis in Form von gewünschten Leitungsstrukturen und eine isolierende Schicht (19, 26) aus einer kristal­ linen Glasmasse abwechseln, wobei leitende (18, 20, 25) und isolierende (19, 20) Schichten in einem nicht-oxidie­ renden Gas gebrannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - auf der Unterlage (16) ein durch Brennen an Luft gebildeter Widerstand (17) vorgesehen ist,
  • - die kristalline Glasmasse, die eine Erweichungstempe­ ratur von 500 bis 650°C hat und bei 500 bis 650°C sinterbar ist, aus 5-20 Gew.-% SiO₂, 45-60 Gew.-% ZnO, 15-30 Gew.-% B₂O₃, 0,1-3 Gew.-% R₂O, wobei R aus der aus Li, Na und K bestehenden Gruppe ausgewählt ist, 0,5-10 Gew.-% XO, wobei X aus der aus Mg, Ca, Ba und Sr bestehenden Gruppe ausgewählt ist, 0,5-5 Gew.-% Al₂O₃, 0,5-5 Gew.-% Bi₂O₃, 0,5-2 Gew.-% F, 0,5-2 Gew.-% SnO₂ und wenigstens einem Oxid, gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die etwa aus 0,1-2 Gew.-% CoO, 0,1-2 Gew.-% P₂O₅, 0,1-5 Gew.-% ZrO₂, 0,1-5 Gew.-% CdO und 0,1-3 Gew.-% PbO besteht,
  • - die leitenden Schichten (18, 20, 25) partiell bedeckt sind, und
  • - die leitenden Schichten elektrische Verbindungen zwi­ schen den gebildeten Widerständen (17) herstellen.
2. Verfahren zur Herstellung eines mit einer Reihe von Dick­ filmen beschichteten Substrats nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - einen ersten Schritt, bei dem eine Widerstandspaste auf eine isolierende Unterlage aufgedruckt und die Wider­ standspaste an Luft gebrannt wird, um einen Wider­ stand (17) auf der isolierenden Unterlage auszubilden,
  • - einen zweiten Schritt, bei dem eine leitende Paste auf Kupferbasis auf der isolierenden Unterlage nach dem er­ sten Schritt aufgedruckt wird und bei dem die aufge­ druckte leitende Paste bei niedriger Temperatur in einer Atmosphäre eines nicht-oxidierenden Gases gebrannt wird, um eine untenliegende leitende Schicht (18) zu erzeugen,
  • - einen dritten Schritt, bei dem eine aus kristalliner Glasmasse gemäß dem Anspruch 1 zubereitete isolierende Paste auf der im zweiten Schritt gebildeten untenliegen­ den Schicht (18) aufgedruckt wird und bei dem die aufge­ druckte isolierende Paste in einem Bereich von 500 bis 650°C in einer Atmosphäre eines nicht-oxidierenden Gases gebrannt wird, um eine isolierende Schicht (19) zu bilden, wobei die kristalline Glasmasse eine Erwei­ chungstemperatur, die niedriger als die oder gleich der Temperatur in dem Bereich ist, in dem die aufgedruckte isolierende Paste gebrannt wird, und eine Kristallisa­ tionstemperatur, die höher als die Temperatur in dem Bereich ist, in dem die aufgedruckte isolierende Paste gebrannt wird, hat, und
  • - einem vierten Schritt, bei dem eine leitende Paste auf Kupferbasis auf der im dritten Schritt gebildeten iso­ lierenden Schicht (19) aufgedruckt wird, um Anschlüsse für die gebildeten Widerstandsstrukturen zu bilden, und bei dem die aufgedruckte leitende Paste in einem Bereich von 500 bis 600°C in einer Atmosphäre eines nicht­ oxidierenden Gases gebrannt wird, um eine obenliegende leitende Schicht (20) zu erzeugen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Paste und die leitende Paste bei einer mehr als 200°C unter der Brenntemperatur der Widerstandspaste liegenden Temperatur gebrannt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die isolierende Paste bei einer unter der Kristallisationstemperatur der Glasmasse liegenden Temperatur gebrannt wird.
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