DE2462006B2 - Mehrschichtige schaltkreisstrukturmatrix und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Schaltkreisstrukturmatrix mit einem relativ dünnen, einheitlichen Körper aus einer gesinterten, elektrisch iso-

^a5 liererden Keramikzusammensetzung, der mindestens einen inneren Kanal vorbestimmter Größe und Form aufweist, der sich bis zu mindestens einer Oberfläche des Körpers erstreckt und der eine Querschnittsfläche besitzt, die, verglichen mit der des Körpers, relativ klein ist, und der dafür geeignet ist, mit einem einen inneren Leiter bildenden Metall gefüllt zu werden; sowie Verfahren zur Herstellung dieser Schaltkreisstrukturmatrix.

In ihrer einfachsten Form besteht eine keramische Schaltkreisstruktur aus einem Paar relativ dünner Plättchen der gewünschten Form und Größe, die man durch Brennen einer elektrisch isolierenden Keramikmasse erhält und die auf den gegenüberliegenden Oberflächen mit Elektroden versehen sind. In vielen Fällen ist es jedoch erwünscht, eine Struktur zu verwenden, die eine Vielzahl derartiger Plättchen aufweist, zwischen denen elektrisch leitende Gebiete vorgesehen sind. Gemäß einem typischen bekannten Verfahren zur Herstellung solcher Schaltkreisstrukturen wird eine elektrodenbildende Paste, die ein Edelmetall, wie Platin oder Palladium, enthält, auf die obere Fläche eines kleinen, üblicherweise gegossenen, dünnen Plättchens aus einer geeigneten, elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, die mit Hilfe eines organischen Bindemittels vorübergehend gebunden ist, aufgetragen, wobei der Auftrag in der Weise erfolgt, daß die Abscheidung der Elektrodenpaste sich bis zu einer Kante des Plättchens erstreckt. Dann werden zwei oder mehrere der in dieser Weise mit der Elektrodenpaste beschichteten, kleinen Plättchen aufeinandergestapelt. Der Stapel aus den mit der Paste beschichteten Plättchen wird dann in geeigneter Weise verfestigt und erhitzt, um die organischen Bindemittel des Keramikplättchens und der elektrodenbildenden Paste, auszutreiben oder zu zersetzen und die dielektrische Masse zu einem einheitlichen, vielschichtigen Körper zusammenzusintern. Die an den Enden des Körpers frei zutageliegenden Elektroden werden dann in üblicher Weise mit einer Abschlußelektrode elektrisch verbunden.

Wegen der Notwendigkeit, bei dem genannten Verfahren innere Elektroden aus Edelmetall zu verwenden, sind solche Schaltkreisstrukturen kostspielig.

billigere Silberelektroden, wie sie häufig für andere 'trukturen verwendet werden, sind im allgemeinen für ichaltkreisstrukturen nicht geeignet, da das in Form »iner Elektrodenpaste aufgetragene Silber während jes Brennens zur Herstellung der Keramik hohen Temperaturen ausgesetzt und hierdurch geschädigt wird Demzufolge besteht ein Bedürfnis für ein Verfahren zur Herstellung von Schaltkreisstrukturen, bei dem es nicht erforderlich ist, Edelmetalle oder sehr kostspielige Metalle zu verwenden.

Ein Verfahren dieser Art ist in der US-PS 3679 950 beschrieben, das sich mit monolithischen Keramikkondensatoren befaßt. In diesem Patent ist für die Herstellung dieses Keramikkondensators eine Reihe von Maßnahmen angegeben, die die Bildung gesinterter Keramikmatrices, die abwechselnd Schichten aus dichtem, elektrisch isolierenden Material und Gebiete aus porösem Keramikmaterial aufweisen, und das anschließende Abscheiden eines leitenden Materials in der porösen Schicht umfassen, wozu man billige Metalle verwenden kann. Obwohl sehr zufriedenstellende, relativ preisgünstige Schaltkreisstrukturen nach den in der genannten Patentschrift angegebenen Verfahrensweisen hergestellt worden sind, hat es sich in gewissen Fällen als problematisch erwiesen, die Kontinuität des Metalls in den inneren Elektroden aufrechtzuerhalten. Weiterhin ist es erwünscht, den Elektrodenwiderstand so niedrig wie möglich zu halten, insbesondere wenn Strukturen hergestellt werden sollen die bei hohen Frequenzen eingesetzt werden. Die in diesem Stand der Technik beschriebenen Keramikmatrices besitzen zwar eine ausreichende mechanische Festigkeit, leiden jedoch an dem erheblichen Nachteil, daß auf Grund der porösen Keramikschichten die Einführung des leitenden Materials in die Leiterschichten erheblich erschwert wird und häufig Unterbrechungen der Leiterbahnen auftreten. Dies mag bei den aus diesem Stand der Technik bekannten Keramikkondensatoren zwar von Nachteil sein, ist jedoch für Schaltkreisstrukturen nicht vertretbar bei denen keine großen Leiterschichten, sondern lediglich schmale Leiterbahnen bzw. Kanäle gebildet

werden. . .

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit dann, eine mehrschichtige Schaltkreisstrukturmatrix, die eine ausreichende Druckfestigkeit und damit mechanische Stabilität besitzt und dennoch ohne weiteres die Einführung eines leitenden Materials in die kanalartieen Kapillarhohlräume ermöglicht und ein Verfahren zur Herstellung dieser Schaltkreisstrukturmatrix anzugeben.

Diese Aufgabe wird nun durch die erfindungsgemäße mehrschichtige Schaltkreisstrukturmatrix mit einem relativ dünnen, einheitlichen Körper aus einer gesinterten, elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, der mindestens einen inneren Kanal vorbestimmter Größe und Form aufweist, der sich bis zu mindestens einer Oberfläche des Körpers erstreckt und eine Querschnittsfläche besitzt, die, verglichen mit der des Körpers, relativ klein ist und der dafür geeignet ist, mit einem einen inneren Leiter bildenden Metall gefüllt zu werden, gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kanal lediglich durch eine oder mehrere diskrete Säulen aus Keramik oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt unterbrochen ist, die sich zwischen der Oberseite und der Unterseite des Kanals befinden und diese berühren, wobei im we- «pntlinhen sämtliche Säulen, wenn davon eine Vielzahl vorhanden ist, voneinander getrennt sind, und nicht mehr als 40 Vol.%, vorzugsweise nicht mehr als 10 Vol.% des Volumens des Kanals ausmachen.

In dieser Weise ist es möglich, uhne weiteres ein leitendes Material, wie ein Metall, in die Hohlräume der Matrix einzuführen und einen Körper bzw. eine Schaltkreisstruktur zu bilden, der bzw. die abwechselnd ununterbrochene, leitende Gebiete und elektrisch isolierende Keramikschichten aufweist, ίο Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Schaltkreisstrukturmatrix, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man einen verfestigten Stapel herstellt, der eine Vielzahl relativ dünner Blätter aus einem fein verteilten Keram'ikmaterial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel gebunden ist, umfaßt, wobei eine Vielzahl der Blätter ein vorbestimmtes Muster, das mit einer Zusammensetzung gebildet ist, die aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Materia] »° und einer geringeren Menge keramischer und/oder metallischer Körnchen solcher Größe, daß sie sich im wesentlichen über die gesamte Dicke des Musters hinweg erstrecken, besteht; und den verfestigten Stapel erhitzt,um das sich in der Hitze verflüchtigende Mate- »5 rial zu entfernen und eine gesinterte Keramikmatrix zu bilden, in der im wesentlichen dünne, leere, den Mustern entsprechende Kanäle vorhanden sind, die lediglich durch die Körnchen unterbrochen sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform bereitet man die erfindungsgemäße mehrschichtige Schaltkreisstrukturmatrix dadurch, daß man einen verfestigten Stapel herstellt, der eine Vielzahl relativ dünner Blätter aus einem fein verteilten Keramikmaterial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel verbunden ist und beim Sintern eine dichte Schicht bildet, und eine Vielzahl von Schichten aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material umfaßt, wobei diese Schichten zwischen zwei der Keramikblätter vorliegen und an vorbestimmten Positionen ein oder mehrere Löcher oder Öffnungen aufweisen; und den verfestigten Stapel erhitzt, um die sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien zu entfernen und eine gesinterte Keramikmatrix zu bilden, in der dünne Kanäle vorhanden sind, in denen jeweils eine Säule vorhanden ist, die sich im Bereich der genannten Löcher oder öffnungen von der Oberseite bis zu der Unterseite des Kanals erstreckt.

Erfindungsgemäß werden die mehrschichtigen Schaltkreisstrukturmatrices dadurch hergestellt, daß So man

1. auf einem oder mehreren dünnen Blättern oder Plättchen aus einem geeigneten, fein verteilten Keramikmaterial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel gebunden ist,

55 Überzüge aufträgt, die dünne, ausgewählte Muster aus pseudoleitendem Material umfassen, das im wesentlichen aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material, einem oder mehreren Keramikkörnchen oder Metallkörnchen und ei-

6o nem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel besteht;

2. einen verfestigten Stapel aus zwei oder mehreren beschichteten Blättern oder Plättchen bildet; und

3. den erhaltenen Körper zum Entfernen der sich 55 in de." Hitze verflüchtigenden Materialien und

2um Sintern des Keramikmaterials zu einem monolithischen Körper erhitzt oder brennt, der dünne offene Kanäle oder Hohlräume aufweist,

die lediglich durch ein oder mehrere diskrete Keramik- oder Metall-Säulen bzw. Stützen unterbrochen sind, wobei im wesentlichen sämtliche Säulen bzw. Stützen, wenn davon eine Vielzahl vorhanden ist, einzeln bzw. diskret und voneinander getrennt angeordnet sind, und nicht mehr als 40 Vol.%, vorzugsweise nicht mehr als 10 Vol.% des Volumens der Hohlräume oder Kanäle ausmachen.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Schnittansicht einer mehrschichtigen Schaltkreisstruktur, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Matrix gebildet ist,

Fig. 2 in Explosionsdarstellung die verschiedenen Keramikplättchen, die zur Bildung der in der Fig. 1 dargestellten Struktur verwendet werden, und die mit Pseudoleitern versehen sind,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines gebundenen, zusammengesetzten Keramikkörnchens, das für die Durchführung der Erfindung geeignet ist,

Fig. 4 in stark vergrößerter Form eine Teildraufsicht eines gebundenen Blattes oder Plättchens aus einer elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, auf dem eine ein Muster bildende Schicht aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material aufgetragen ist, das für die Anwendung gemäß einer Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, und

Fig. 5 eine stark vergrößerte Teilschnittansicht einer gesinterten Keramikmatrix, die aus einer Vielzahl der in der Fig. 4 dargestellten Blätter bzw. Plättchen gebildet worden ist.

Es ist erkennbar, daß in den Zeichnungen gewisse relative Abmessungen übertrieben wiedergegeben sind.

Es versteht sich, daß man eine Mehrzahl bekannter, keramischer, elektrisch isolierender Materialien zur Bildung der elektrisch isolierenden Gebiete verwenden kann.

Beispielsweise kann man TiO₂, Glas, Steatit und Bariumstrontiumniobat als auch Bariumtitanat als solches, verwenden, wobei in an sich bekannter Weise die Brennbedingungen und dergleichen verändert werden, um ein befriedigendes Sintern zu erreichen. Es versteht sich ferner, daß die Zusammensetzung der gebildeten, Körnchen enthaltenden Gebiete verändert werden kann. Die Körnchen können aus einem geeigneten Keramikmaterial oder aus einem hochschmelzenden, oxidationsbestäneügen Metall, wie Palladium, Platin, Gold und Legierungen davon, gebildet werden. Keramikmaterialien, die zur Herstellung der Körnchen eingesetzt werden können, sind ASuminiumoxid, Zirkondioxid und Bariumtitanat. Da es jedoch im allgemeinen von Bedeutung ist, eine Reaktion zwischen den Körnchen und dem elektrisch isolierenden Keramikmaterial zu verhindern, da hierdurch die elektrischen Eigenschaften des letzteren verändert werden könnten, sind Keramikmaterialien, die schmelzen oder mit dem elektrisch isolierenden Material reagieren, nicht geeignet. In den meisten Fällen ist es bevorzugt, ein Material zu verwenden, das die gleiche Zusammensetzung besitzt wie das elektrisch isolierende Material. Wie oben bereits erwähnt, sollten die Körnchen eine solche Größe aufweiser., daß sie sich im wesentlichen über die gesamte Dicke des Gebietes, in dem sie verwendet werden, hinweg erstrecken. Die Anzahl oder die Menge der in den Schichten vorhandenen Körnchen kann in breitem Maße variieren, in Abhängigkeit von der Anzahl der Säulen, die in den Hohlräumen erwünscht sind, die sich ihrerseits durch die Entfernung des sich in der Hitze verflüchtigenden Materials aus den Schichten ergeben. Sehr zufriedenstellende Ergebnisse erzielt man, wenn man als Körnchen kleine, keramische Ansammlungen verwendet.

In der Fi g. 3 ist in stark vergrößertem Maßstab eine

ίο derartige keramische Ansammlung vor dem Brennen dargestellt. Die Keramikteilchen 71 sind mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel 73 miteinander verbunden. Diese Ansammlungen können in einfacher Weise beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß man eine Mischung aus fein verteiltem, keramischen, elektrisch isolierenden Material, wie es für die elektrisch isolierenden Plättchen verwendet wird, und einem temporären Bindemittel, wie es für die Herstellung der elektrisch isolierenden Plättchen

ao verwendet wird, bereitet und die Mischung trocknen läßt. Dann wird die Masse zerkleinert und die verbundenen Ansammlungen werden in der gewünschten Größe durch Aussieben gewonnen. Diese Ansammlungen können unter geeigneten Bedingungen ge-

^a5 brannt werden, so daß die darin enthaltenen einzelnen Keramikteilchen zusammensintern. Es zeigt sich jedoch, daß, wenn man ungebrannte Ansammlungen der beschriebenen Art als Körnchen verwendet, das Sintern der Keramikteilchen in den Ansammlungen gleichzeitig mit dem Sintern der elektrisch isolierenden Schichten erfolgt, wobei sich kaum Probleme dadurch ergeben, daß durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien ein ungleichmäßiges Schrumpfen erfolgt. Ob die Ansammlungen nun in gebranntem oder nichtgebranntem Zustand vorliegen, es besteht keine Gefahr einer schädlichen Reaktion zwischen den Körnchen und dem elektrisch isolierenden Material. Da die Art des temporären, sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittels, das zur Bildung der genannten Ansammlungen verwendet wird, nicht besonders kritisch ist, obwohl es nicht in dem Lösungsmittel löslich sein sollte, das zum Abscheiden der pseudoleitenden Schichten verwendet wird, kann eine Reihe von geeigneten Materialien verwendet werden,

z. B. jene, die für die Bildung der elektrisch isolierenden Keramikplättchen verwendet werden.

Das Brennen der ungebrannten Keramikblöcke. Einheiten oder Chips, durch das diese zu einheitlicher oder monolithischen Körpern gesintert werden, wird vorzugsweise in einer oxidierenden Atmosphäre, wie Luft, in einem Ofen durchgeführt. Vorzugsweise ver wendet man einen elektrischen Tunnelofen, obwoh man auch andere öfen oder Heizeinrichtungen einsetzen kann. Die Temperatur und die Brennzeit hän gen von den verwendeten Keramikzusammensetzun gen ab. Wie oben bereits erwähnt, sind die Fachleuti mit solchen Einzelheiten und der Tatsache vertraut daß im allgemeinen die notwendige Sinterzeit de Temperatur umgekehrt proportional ist. Der hierii verwendete Ausdruck »Sintertemperatur« steht fü die Temperatur, die dazu erforderlich ist, die ge wünschten Keramikeigenschaften des Körpers ode der Körper zu erreichen. Wie oben erwähnt, ist zu Entfernung des temporären Bindemittels, das in de Plättchen und in den körnchenhaltigen Schichten vci wendet wird, eine längere Heizdaucr bei relativ niec rigen Temperaturen bevorzugt. Die Entfernung de sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien sollt

vorzugsweise so langsam erfolgen, daß die Ausdehnung der bei der Zersetzung oder Verflüchtigung dieser Produkte gebildeten Gase nicht zu einem Bruch der Körper führt.

In der allgemeinen Beschreibung sind die Plättchen aus dem isolierenden Material, die Körnchen enthaltenden, sich in der Hitze zersetzenden Abscheidungen oder Schichten sowie die damit hergestellten mehrschichtigen Schaltkreisstrukturmatrices als rechteckig angegeben. Die Erfindung umfaßt jedoch auch Schaltkreisstrakturmatrices anderer Form. Es versteht sich, daß in diesen Fällen die alternierend vorhandenen dünnen Hohlräume oder Kanäle nicht auf gegenüberliegenden Randflächen vorliegen können. Demzufolge ist es ersichtlich, daß der in den Ansprüchen verwendete Ausdruck »Randbereich« einen Bereich auf der Oberfläche eines Körpers, der in der angegebenen Weise hergestellt ist und eine beliebige Form aufweisen kann, beschreibt, die einen oder mehrere Kanäle oder Hohlräume in dem Körper berührt oder die Ebene dieser Hohlräume schneidet.

In der Fig. 1 ist eine aus der erfindungsgemäßen Schaltkreisstrukturmatrix gebildete typische keramische, mehrschichtige Schaltkreisstruktur 81 wiedergegeben, wie sie für integrierte Hybridschaltkreise verwendet wird. Die Struktur oder der Körper 81 umfaßt eine Keramikmatrix 83 und mehrere Leiter 85, die sich in und/oder durch die Matrix erstrecken. Die Dicke sowohl der Leiter als auch der Matrix ist in der Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit übertrieben dargestellt. Bislang sind solche Strukturen mit einem kostspieligen Verfahren hergestellt worden, das normalerweise darin besteht, daß man auf eine Vielzahl von temporär gebundenen Plättchen der gewünschten Dicke aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial, wie feinem Aluminiumoxidpulver, mit dem Siebdruckverfahren eine metallische, Elektroden bildende Paste, die ein Edelmetall wie Palladium oder Platin enthält, mit dem gewünschten Muster aufbringt, die verschiedenen bedruckten Plättchen und ein oder mehrere unbedruckte, die Oberseite und die Unterseite bildende Plättchen, aufeinanderstapelt und verfestigt und den verfestigten Stapel zu einem einheitlichen Körper zusammensintert.

Wie bereits erwähnt, können solche keramischen, mehrschichtigen Schaltkreisstrukturen unter Anwendung von den oben beschriebenen Verfahrensweisen hergestellt werden, wodurch die Notwendigkeit entfällt, kostspielige Edelmetalle als Leiter zu verwenden. Die Herstellung einer in der Fig. 1 dargestellten Struktur unter Anwendung der erfindungsgemäßen Technik sei im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben. Es versteht sich, daß das beschriebene Verfahren nur ein Beispiel darstellt und auch andere Verfahrensweisen angewandt werden können, gemäß denen zum Beispiel große Keramikblöcke gebildet werden, die dann zu einzelnen Schaltkreisstrukturkörpern zerschnitten werden können.

Man formt die in der Fig. 2 dargestellten Plättchen oder Blätter A, B und C mit der gewünschten Größe, Form und Dicke durch Vergießen, Formen oder ähnliche Behandlung einer gewünschten, elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, zum Beispiel fein verteiltem Aluminiumoxid, wobei mun ein sich in der Hitze verflüchtigendes Material, wie ein Harz, Äthylcellulose etc. als temporäres Bindemittel dafür verwendet. Dann werden mit dem Siebdruckverfahren und unter Anwendung einer hierfür geeigneten Druckmasse oder Druckfarbe, die im wesentlichen aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material besteht, in dem eine geeignete, relativ kleine Menge von Keramik- oder Metall-Körnchen enthalten ist, auf die Plättchen oder Blätter B und C Pseudoleiter 87 in der in der Fig. 1 dargestellten Struktur folgen. Es versteht sich, daß die Muster der dargestellten Pseudoleiter 87 nur beispielhaft sind und für beliebige Anordnungen angewandt werden können. Die bedruckten Plättchen werden aufeinandergestapelt und mit einem oder mehreren unbedruckten Deckplättchen bedeckt, wonach der Stapel in geeigneter Weise verfestigt und erhitzt wird, um die sich in der Hitze verflüchtigenden

*5 Materialien zu entfernen und das in den Plättchen enthaltene Keramikmaterial zu einem einheitlichen Körper zusammenzusintern, wobei man im wesentlichen in der oben beschriebenen Weise vorgeht.

Die durch das Brennen gebildete einheitliche oder

^ao monolithische Matrix umfaßt einen dichten Körper aus der isolierenden Keramikzusammensetzung, in dem Hohlräume oder Kanäle vorhanden sind, die lediglich durch diskrete Säulen 86 unterbrochen sind, die im wesentlichen voneinander getrennt sind. Jeder

^a5 der Kanäle steht mit mindestens einem Bereich einer Fläche, zum Beispiel einer Seitenfläche, des Körpers in Kontakt.

Die in dieser Weise gebildete Matrix weist eine bestimmte Anzahl dünner Kanäle zwischen zwei aneinander angrenzenden Schichten aus nicht leitendem Keramikmaterial auf. Die nicht gebrannten Körper enthalten Schichten aus nicht leitendem Keramikmaterial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden, temporären Bindemittel verbunden ist, zwischen denen Abscheidungen oder Schichten aus einem Körnchen enthaltenden, sich in der Hitze verflüchtigenden Material vorhanden sind, die als Pseudoleiter dienen, wobei die Matrices nach dem Sintern dichte, im wesentlichen parallel angeordnete Keramikschichten mit dazwischenliegenden planaren Hohlräumen umfassen, die lediglich durch diskrete Säulen unterbrochen sind, die im wesentlichen voneinander getrennt sind, und in die ein leitendes Material wie ein Metall eingeführt werden kann. Wegen der Möglichkeit, unterschiedliche, sich in der Hitze verflüchtigende Materialien und keramische Materialien für die Herstellung der Körper zu verwenden, werden auch die Heiz- und Sinter-Maßnahmen andersgeartet sein. Der Fachmann ist jedoch in der Lage, zufriedenstellende Behandlungszeiten und -temperaturen auszuwählen.

Es versteht sich, daß bei der erfindungsgemäßer Herstellung von mehrschichtigen Schaltkreisstrukturmatrices eine beliebige Anzahl von Plättchen odei Blättern aus der temporär gebundenen, isolierender Keramikzusammensetzung, auf die das Muster dei Pseudoleiter aufgedruckt oder in anderer Weise auf getragen ist, verwendet werden kann. Somit kann mat Matrices herstellen, die auf einer Anzahl unterschied 1 icher Lagen Pseudoleiter aufweisen. Die Dicke de Keramikplättchenund der pscudoleitenden Schichte! können innerhalb eines relativ weiten Bereiches vari ieren. Im allgemeinen besitzen die Plättchen jcdocl eine Dicke im Bereich von etwa 0,05 mm bis ctw

⁶S 0,25 mm, während die Pseudoleiter eine Dicke im Bc reich von etwa 0,007 bis etwa 0,04 mm aufweiser Es ist zu ersehen, daß relativ dünne Matrices dahe eine Vielzahl von Leitern enthalten können. Di

Breite der Pseudoleiter und daher der Kanäle für das leitende Material kann beliebig verändert werden. Jedoch besitzen diese Kanäle im wesentlichen in allen Fällen Querschnitte, die, verglichen mit dem Matrixkörper, klein sind, und verlaufen im allgemeinen senkrecht zu der Richtung, in der die Struktur am dünnsten ist. Wegen der relativen Dünne der Kanäle, verglichen mit ihrer Breite und Länge, können sie als planare Hohlräume angesehen werden.

Wie bereits angegeben, ist eine Reihe von Abänderungen und/oder Modifizierungen des angegebenen Verfahrens möglich. Zum Beispiel kann man statt eine Schicht aus dem sich in der Hitze verflüchtigenden Material und den Keramik- oder Metall-Körnchen auf die kleinen, verbundenen Keramikplättchen aufzudrucken, kleine Stückchen eines geeigneten, vorgebildeten, in der Hitze zersetzbaren Kunststoffilms geeigneter Größe und Form, der dispergierte Metall- und/oder Keramik-Körnchen und ein feines, brennbares Material enthält, in geeigneter Weise zwischen die Plättchen legen, wenn der Plättchenstapel aufgebaut wird. Weiterhin können die Schichten aus dem körnchenhaltigen, sich in der Hitze verflüchtigenden Material gewünschtenfalls durch Aufmahlen oder Aufsprühen aufgetragen werden. Als weiteres Alternativverfahren kann auf beide Seiten eines gebundenen, elektrisch isolierenden Keramikmaterials eine Schicht aus einem Körnchen enthaltenden, sich in der Hitze verflüchtigenden Material aufgetragen werden, wodurch es überflüssig wird, solche Schichten auf die in dem Stapel darüber- und darunterliegenden Plättchen aufzubringen. Um den dünnen Chips oder Körpern physikalische Festigkeit zu verleihen und ihre Bruchbeständigkeit zu erhöhen, kann man den gebildeten Stapel mit zwei Extraplättchen oder Blättern versehen, die keine derartigen Schichten aufweisen.

Es ist erkennbar, daß die Zusammensetzungen zur Bildung der elektrisch isolierenden Plättchen oder Blätter und der Pseudoleiter, die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Keramikmatrices verwendet werden, in weiten Bereichen variiert werden können. Weiter oben ist daher bereits eine Vielzahl geeigneter Keramikmaterialien angegeben. Es gibt auch eine große Vielzahl von geeigneten Medien oder Trägermaterialien, die für diese Keramikmaterialien als sich in der Hitze verflüchtigende Bindemittel eingesetzt werden können. Viele Produkte dieser Art sind im Handel erhäUlich oder können ohne weiteres von dem Fachmann hergestellt werden. Im wesentlichen besteht der Zweck dieser Medien und Trägermaterialien darin, die zur Bildung der Plättchen und/oder Schichten verwendeten Teilchen zu susperdieren und zu dispergieren und ein temporäres, sich in der Hitze verflüchtigendes Bindemittel zu bilden, während die Plättchen und/oder Schichten daraus geformt und die ungebrannten Keramikkörper aus einer Vielzahl dieser Plättchen und Schichten aufgebaut werden. In den gesinterten Keramikkörpern ist dieses temporäre Bindemittel nicht mehr enthalten. Demzufolge wählt man das verwendete Medium und/oder Trägermaterial im wesentlichen aus Gründen der Bequemlichkeit und der Zugänglichkeit aus.

Da der Zweck des sich in der Hitze verflüchtigenden Materials der pscudoleitcnden Schichten darin besteht, einen Träger für die keramikhaltigen Plättchen oder Schichten zu bilden oder diese zu trennen, bis sie selbst tragend geworden sind, so daß nach dem zur Entfernung der sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien angewandten Heizzyklus die gewünschten Hohlräume oder Kanäle in den gesinterten Matrices zurückbleiben, sollten die Pseudoleiter die temporär gebundenen Keramikplättchen nicht in nachteiliger

Weise beeinflussen und sollten so lange vorhanden bleiben, bis die Plastizität der Plättchen so weit abgenommen hat, daß sie steif geworden sind und sich nicht verformen oder durchhängen und in dieser Weise die Hohlräume oder Kanäle verschließen. Wenn das zum

ίο Aufdrucken der Pseudoleiter verwendete filmbildende Material diesem Erfordernis nicht entspricht, ist es notwendig, ein teilchenförmiges, sich in der Hitze verflüchtigendes Material zuzusetzen, das das gewünschte Ergebnis liefert, wenn eine ausreichende Menge dieses Materials zu der Pseudoleiter-Zusammensetzung zugesetzt wird.

Bei der Auswahl eines solchen teilchenförmigen, sich in der Hitze verflüchtigenden Materials ist es jedoch von Bedeutung, jene Materialien zu vermeiden,

ao die bei dem Verbrennen eine merkliche Menge Asche hinterlassen, die Elemente enthält, welche für die in den Keramikplättchen oder -blättern verwendete elektrisch isolierende Zusammensetzung schädlich sind. Im allgemeinen sind für diesen Zweck feine Teil-

*5 chen aus Kohlenstoff oder einem verkohlbaren Material, wie beispielsweise Stärke und Cellulose, geeignet. Bevorzugte Vertreter der großen Anzahl von sich in der Hitze verflüchtigenden, filmbildenden Materialien, die zusammen mit derartigen teilchenförmigen

Materialien zur Bildung der sich in der Hitze verflüchtigenden Schichten oder Abscheidungen verwendet werden können, sind Äthylcellulose, Acryloidharze und Polyvinylalkohol. Ein geeignetes Lösungsmittel für das filmbildende Material wird in einer solchen Menge verwendet, daß die Masse die gewünschte Viskosität erhält.

Wie bereits erwähnt, können in gewissen Fällen die säulenenthaltenden Hohlräume oder Kanäle zwischen den Keramikschichten dadurch gebildet werden, daß

man vorgebildete, sich in der Hitze verflüchtigende Filme einsetzt, wozu man einen dünnen Film aus einem geeigneten Harz verwendet, das beispielsweise Kohlenstoffteilchen und geeignete Körnchen aus Metall oder Keramik enthält. Für diesen Zweck ist ebenfalls eine dünne Abscheidung aus einer Mischung aus einem feinen, körnigen, brennbaren Material, wie Kohlenstoff und geeigneten Körnchen aus Metall odei Keramik geeignet, die kein Bindemittel enthält unc in Form des gewünschten Musters oder der gewünsch-

ten Anordnung auf den Keramikplättchen abgeschieden wird. Das mit dem Ausdruck »sich in der Hitze verflüchtigende« bezeichnete Material ist ein Material, das sich bei den angegebenen Verfahrensbedingungen als solches verflüchtigt oder vollständig, gege-

benenfalls im Rahmen einer Oxidation, zu sich verflüchtigenden Produkten umgewandelt wird.

Es kann eine Reihe von Verfahrensweisen zusätzlich zu den oben beschriebenen dazu verwendet wer den, die Säulen auszubilden. Zum Beispiel kann mat

ein Zweistufendruckverfahren anwenden, gemäß derr man mittels Siebdruck ein gewünschtes Gittermustei aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Materia auf Plättchen aus feinem elektrisch isolierendem Ma terial abscheidet, das mit einem sich in der Hitze ver flüchtigenden Material verbunden ist, wonach mar Keramikkörnchen oder ein Keramikmaterial, da! beim Sintern Säulen bildet, in einem sich in der Hitz< verflüchtigenden Trägermaterial dispergiert und au

die unbedeckten Bereiche des Gitermusters aufträgt. Gewünschtenf alls kann das Verfahren in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, so daß man zunächst die Keramik- oder Metall-Körnchen in Form eines Gittermusters aufträgt und anschließend eine sich in der Hitze verflüchtigende Abscheidung, die keine derartigen Körnchen enthält, aufdruckt.

Gemäß einer weiteren Abänderung können die Säulen nach einem dem eben beschriebenen Verfahren ähnlichen Verfahren gebildet werden, mit dem Unterschied, daß man statt die vorgebildeten Körnchen in die freien Bereiche des Gittermusters einzubringen, diese Bereiche mit einer Zusammensetzung versieht, in der ein Material enthalten ist, das beim Sintern Säulen bildet. Zum Beispiel kann man cine ¹S herkömmliche Platin oder Palladium enthaltende, elektrodenbildende Paste verwenden, die in Form kleiner Bereiche oder Flecken mit der gewünschten Dicke aufgetragen wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Schicht aus einem sich in der Hitze ^ao verflüchtigenden Material, beispielsweise nach dem Siebdruckverfahren, auf eine Vielzahl von Plättchen aus einem fein verteilten Keramikmaterial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel verbunden ist, aufzubringen, wobei man einen oder ^a5 mehrere, im Abstand angeordnete Bereiche freiläßt, so daß in der Schicht Löcher gebildet werden. Wenn eine Vielzahl von Plättchen mit solchen Schichten zusammen verfestigt und gebrannt wird, um die sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien zu beseitigen und das Keramikmaterial zu sintern, verformen sich die oberhalb und/oder unterhalb der freigelassenen Bereiche oder Löcher vorhandenen Plättchen in dem Maße, daß in den Löchern keramische Säulen gebildet werden. Nach Beendigung des Brennvorganges stehen diese Säulen natürlich in dem Hohlraum, der sich durch das Verschwinden des die Schicht ausmachenden, sich in der Hitze verflüchtigenden Materials gebildet hat.

Die Fig. 4 und 5 verdeutlichen in schematischer Weise das zuletzt erwähnte Verfahren. Die Fig. 4 zeigt eine stark vergrößerte Teildraufsicht, in der zwei Blätter 91 aus fein verteiltem Keramikmaterial dargestellt sind, das mit einem geeigneten, sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel verbunden ist, und zwisehen die eine Schicht 93 eingebracht ist, die aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material besteht. In der Schicht 93 ist eine Vielzahl von in einem Abstand angeordneten Löchern 95 vorgesehen. In der F i g. 5 ist eine noch stärker vergrößerte Teilschnittan- S° sieht längs der Linie 10-10 der Fig. 4 gezeigt. Es ist ein Teil des in der Fig. 4 wiedergegebenen Körpers zu sehen, nachdem dieser, in der oben beschriebenen Weise, verfestigt und gebrannt worden ist, um die sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien zu entfernen und das Keramikmaterial zu sintern. Die Bezugsziffer 97 steht für eine in dem planaren Hohlraum 99 angeordnete Keramiksäulc, die durch eine Deformation der oberhalb und unterhalb des Loches 95 liegenden Kcramikplättchcn und ein Eindringen des Kcramikmaterials aus diesen Schichten gebildet worden ist. Es versteht sich, daß ähnliche Säulen mit anderen Löchern 95 während der Verfestigung und des Brennens des Blätter- und Schichtstapels gebildet werden können. Die Form der Löcher 95 ist nicht kritisch, und sie können daher beliebig gestaltet werden. Wegen der Schwierigkeit, die Schichten aus dem sich in der Hitze verflüchtigenden Material mit sehr kleinen Löchern zu versehen, beträgt die kleinste horizontale Abmessung dieser Löcher üblicherweise ein Mehrfaches der Dicke der Schicht aus dem sich in der Hitze verflüchtigenden Material, in das sie eingearbeitet worden sind. In jedem Fall sollte jedoch die kleinste horizontale Abmessung mindestens so groß sein wie die Dicke der Schicht. Die Anzahl und die Anordnung der Löcher kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anzahl und Position der Säulen verändert werden.

Es sei wiederholt, daß die Funktion der Säulen darin besteht, die Hohlräume oder Kanäle der erfindungsgemäß gebrannten Körper zu stützen, wodurch die Druckfestigkeit der Körper in ausreichender Weise gesteigert wird und sich die Möglichkeit eines Bruches bei der Handhabung verkleinert. Offensichtlich variiert die Anzahl der Säulen, die notwendig ist, um zu der gewünschten Festigkeit zu führen, mit der Größe und der Form der Hohlräume oder der Kanäle. Um in den Hohlräumen oder Kanälen eine offene Struktur aufrechtzuerhalten, sollten die Säulen nicht mehr als 40 Vol.% des Volumens des Hohlraumes oder des Kanals ausmachen, wobei in den meisten Fällen 10 Vol.% oder weniger erwünscht sind. Wenn der Hohlraum oder der Kanal sehr klein ist, kann in der Tat nur eine einzige Säule erwünscht sein. Wenn die Säulen mittels keramischer oder metallischer Körnchen in einer pseudoleitenden Schicht gebildet werden, sind sie natürlich statistisch angeordnet. Wie bereits erwähnt, sollten sie jedoch so weit getrennt voneinander angeordnet sein, daß sie kein wesentliches Hindernis für das Eindringen des leitenden Materials in die Hohlräume darstellen, so daß die Konzentration der Körnchen in dem Pseudoleiter nicht größer sein sollte als die Konzentration, die zur Erzielung der gewünschten Festigkeit notwendig ist. Vorzugsweise besitzen die Säulen einen Durchmesser, der etwa der Dicke des Pseudoleiters, in dem sie enthalten sind, entspricht.

Der hierin verwendete Ausdruck »dicht« bedeutet, daß das in dieser Weise bezeichnete Material beim Eintauchen in Wasser im wesentlichen kein Wasser absorbiert, während das Wort »dünn« einen relativen Begriff darstellt, der beispielsweise in bezug auf die Keramikschichten eine Dicke im Bereich von 0,5 rnrr oder weniger einschließt. Für besondere Zwecke können diese Schichten jedoch dicker sein.

Die Ausdrücke »obere«, »untere«, »Oberseite« »Unterseite«, »rechts«, »links«, »oberhalb«, »unter halb« und ähnliche Ausdrücke betreffend die Positioi und/oder Richtung, die hierin in bezug auf die Zeich nungen verwendet werden, dienen lediglich zur Er leichtcrung des Verständnisses und bedeuten nichl daß die Strukturen oder deren Einzelteile derart an geordnet sein müssen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Mehrschichtige Schaltkreisstrukturmatrix mit einem relativ dünnen, einheitlichen Körper aus einer gesinterten, elektrisch isolierenden Keramikzusammensetzung, der mindestens einen inneren Kanal vorbestimmter Größe und Form aufweist, der sich bis zu mindestens einer Oberfläche des Körpers erstreckt und der eine Querschnittsfläche besitzt, die, verglichen mit der des Körpers, relativ klein ist, und der dafür geeignet ist, mit einem einen inneren Leiter bildenden Metall gefüllt zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal lediglich durch eine oder mehrere diskrete Säulen aus Keramik oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt unterbrochen ist, die sich zwischen der Oberseite und der Unterseite des Kanals befinden und diese berühren, wobei im wesentlichen sämtliche Säulen, wenn davon eine Vielzahl vorhanden ist, voneinander getrennt sind und nicht mehr als 40 Vol.%, vorzugsweise nicht mehr als 10 Vol.% des Volumens des Kanals ausmachen.

2. Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mit einer Vielzahl von inneren Kanälen versehen ist und mindestens einer der Kanäle in senkrechter Richtung zu der kleinsten Abmessung des Körpers verläuft.

3. Matrix nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der im Inneren vorhandenen Kanäle auf unterschiedlichen Ebenen des Körpers vorliegen.

4. Matrix nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der im Inneren vorhandenen Kanäle sich bis zu zwei unterschiedlichen Randbereichen des Körpers erstrecken und dort nach außen geöffnet sind.

5. Matrix nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der im Inneren vorhandenen Kanäle auf unterschiedlichen Ebenen des Körpers vorliegen.

6. Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Schaltkieisstrukturmatrix nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man einen verfestigten Stapel herstellt, der eine Vielzahl relativ dünner Blätter aus einem fein verteilten Keramikmaterial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel gebunden ist, umfaßt, wobei eine Vielzahl der Blätter ein vorbestimmtes Muster trägt, das mit einer Zusammensetzunggebildet ist, die aus einerr. sich in der Hitze verflüchtigenden Material und einer geringeren Menge keramischer und/oder metallischer Köi nchen solcher Größe, daß sie sich im wesentlichen über die gesamte Dicke des Musters hinweg erstrecken, besteht; und den verfestigten Stapel erhitzt, um das sich in der Hitze verflüchtigende Material zu entfernen und eine gesinterte Keramikmatrix zu bilden, in der im wesentlichen dünne, leere, den Mustern entsprechende Kanäle vorhanden sind, die lediglich durch die Körnchen unterbrochen sind.

7. Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Schaltkreisstrukturmatrix nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man einen verfestigten Stapel herstellt, der eine Vielzahl relativ dünner Blätter aus einem fein verteilten Keramikmaterial, das mit einem sich in der Hitze verflüchtigenden Bindemittel verbunden ist und beim Sintern eine dichte Schicht bildet, und eine Vielzahl von Schichten aus einem sich in der Hitze verflüchtigenden Material umfaßt, wobei diese Schichten zwischen zwei der Keramikblätter vorliegen und an vorbestimmten Positionen ein oder mehrere Löcher oder öffnungen aufweisen; und den verfestigten Stapel erhitzt, um die sich in der Hitze verflüchtigenden Materialien zu entfernen und eine gesinterte Keramikmatrix zu bilden, in der dünne Kanäle vorhanden sind, in denen jeweils eine Säule vorhanden ist, die sich im Bereich der genannten Löcher oder öffnungen von der Oberseite bis ^u der Unterseite des Kanals erstreckt.